• Русский
  • English

Диагностические и терапевтические РНК-технологии в транcляционной геномной медицине

Название проекта

Диагностические и терапевтические РНК-технологии в транcляционной геномной медицине

Ключевая идея (слоган) проекта

Трансляционные исследования для внедрения подходов геномной медицины (генотераностики) на основе РНК технологий

Организации партнеры:

Национальный исследовательский Томский государственный университет;

Московский физико-технический институт;

Новосибирский Государственный Университет;

РИКЕН, Япония;

Онкологический центр Фокс Чейз, США;

Национальная исследовательская организация сельского хозяйства и пищевых продуктов, Япония;

Республиканский Клинический Онкологический Диспансер Республики Татарстан;

Медицинский Научно-Образовательный Центр Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова;

Глобальная научно-технологическая задача (вызов) на решение которой ориентирован проект

Персонифицированная медицина, старение населения

Научный руководитель проекта

Йошихиде Хаяшизаки (h-index 83)

Описание проекта

Проект направлен на разработку безопасных и надежных методов генодиагностики и генной терапии.
Взрывной рост геномных проектов в мире, дает возможность реконструировать детальные гаплотипы и выявлять редкие генетические варианты и изучать их ассоциации с заболеваниями и чувствительностью к фармацевтическим препаратам.

Пожалуй, наиболее актуальный вопрос в области функциональной геномики, — как структура генома, и отдельные его участки, влияют на транскрипцию РНК. Проект FANTOM, — курируемый институтом RIKEN, партнером КФУ, — международный консорциум, организованный в 2000 году.

В настоящее время, в пятом поколении развития проекта, завершено создание самого большого и детального атласа активности промоторов и энхансеров в 975 человеческих и 399 мышиных образцах первичных клеточных линий, раковых линий и тканей. Комбинируя разработки РИКЕН и компетенции ведущих лабораторий университета и партнеров в области клеточных технологий, основными целями проекта является формирование в КФУ уникального для РФ исследовательского центра областью экспертизы которого явится использованием последних достижений в области полногеномных РНК технологий для развития четырех ключевых блоков компетенций САЕ Трансляционная 7P Медицина:

Блок 1.

Новый уровень чувствительности биомаркеров и гено-диагностических подходов: применение и развитие РНК технологий в области полногеномной идентификации и характеристики регуляторных элементов (энхансеров и промоторов), а также высокочувствительных методов детекции ДНК и nascent РНК в научно-прикладных проектах являющихся точками превосходства КФУ в области трансляционной медицины. В том числе:
Реализация международного консорциумного проекта MUSCLE-FANTOM: создание научно-технической платформы для глубокого понимания генетических процессов на уровне РНК-транскрипции регулирующих процессы дифференциации, возрастных изменений, гравитационно-обусловленных изменений, а также анамнеза широкого спектра мышечных патологий, в том числе врожденных.
Реализация Партнерского проект с ТГУ (INFLAMATION-FANTOM) в создании атласа энхансерной и промоторной активности макрофагов и монобластов специфичных для различных тканей и патологий.
Партнерский проект с МФТИ позволит разработать подходы к персонифицированной терапии сердечных патологий с применением iPS. Совместные разработки с группами НГУ направлены на многофакторную характеристику методов и результатов редактирования геномов на различных моделях.

Блок 2.

Развитие биомедицинские технологий на основе прямого перепрограммирования и препрограммирования клеток.
Блок 3.

Разработка генотерапевтических препаратов на основе обширного анализа регуляторных элементов, — включая получение конструкций с высокой тканеспецифичной/клеточно-специфичной активностью.

Блок 4.

Научно-прикладные проекты по идентификации целей для неинвазийной до-/пост- операционной диагностике прогноза развития онкологических заболеваний с применением методов анализа свободно-циркулирующих РНК и ДНК.

 

Подходы к реализации проекта

Проект разбит на четыре взаимодополняющих блока, каждый из который содержит ряд под-проектов:
В рамках первого блока (Б1) методы полногеномной оценки активность регуляторных элементов (CAGE, анализ транскриптома отдельных клеток, оценка открытости хроматина) будут использованы для анализа молекулярных процессов лежащих в основе дифференциации мышц, их функционирования и активности в ряде патологий. В ряде партнерских под-проектов, в том числе с ВУЗами участниками проекта 5-100, схожие высокочувствительные методики полногеномного анализа промоторной активности будут использованы для идентификации генетических процессов при широком спектре воспалений и онкологических заболеваний, а также для оценки эффективности перепрограммирования клеток, создания тканевых конструкций и редактирования генома.
Второй блок инициатив (Б2), включает наиболее сильные компетенции коллективов КФУ и российских партнеров в области клеточных технологий, в частности в выделении мононуклеарных клеток и раковых стволовых клеток, методы полногеномного анализа будут использованы для получения экспрессионных профилей в исходных и целевых клеточных типах. Далее интегрируя оригинальные данные с базами данных иностранных партнеров будут получены уникальные для исследуемых типов клеток протоколы перепрограмирования клеток, которые будут опробованы in vitro и далее in vivo уже в лабораториях КФУ и партнеров. Оценка эффективности подходов и изучение полученных ИПСК и целевых клеточных популяций будет также проводиться, в том числе и с использованием глубокого профилирования транскрипционных процессов.
Третий блок работ (Б3) направлен на терапевтическое применение полученных генетических знаний. Рекомбинантными методами будет создано новое поколение генотерапевтических препаратов (векторных конструкций), активация и эффективная экспрессия генов в которых будет возможно исключительно в целевых типах клеток и тканей. Параллельно с повышением специфичности активации транскрипции, с использованием наноматериалов и пептидных компонентов будет повышена стабильность и эффективность экспрессии конструкций.

В рамках четвертого блока работ (Б4), наряду с использованием полногеномных методов анализа РНК и ДНК для выявляения новых патогенных мутаций и проспективных маркеров, высокочувствительные методы детекции будут использованы для внедрения методов анализа свободноциркулирующих РНК и ДНК в целях усовершенствования диагностики онкозаболеваний. Данная группа под-проектов сформирована на основе запросов клинических партнеров КФУ и именно здесь, результаты исследований будут наиболее быстро транслированы в практику.

Имеющийся у университета опыт, научно-исследовательские и технологические наработки (заделы)

В КФУ в области биомедицины создана уникальная для университетов научно-технологическая инфраструктура полного цикла – от исследований и разработок до практического применения.
1. Университетская клиника – многопрофильное лечебное учреждение третьего уровня на 840 коек, оказывающее высокотехнологичную медицинскую помощь (Приказ МЗ РФ от 28.12.2015 N 1014н), со специализированным отделением, имеющим государственную аккредитацию, для проведения клинических испытаний новых методов диагностики, лечения и реабилитации на 24 койки (Приказ МЗ РФ от 30.12.2015 №1033). На территории клиники создана полнофункциональная лаборатория клинической геномики, оборудованная высокопроизводительными секвенаторами и лаборатория клинической генодиагностики, что позволяет эффективно работать с исследованиями нуклеиновых кислот в клинических образцах.
2. Междисциплинарный центр протеомных и геномных исследований. Оборудован современным оборудованием для проведения протеомных, геномных и транскриптомных исследований – капиллярные секвенаторы и секвенаторы следующего поколения, масс-спектрометры в комплексе с системами жидкостной и газовой хроматографии, MALDI, Qtrap, вспомогательное оборудование. В рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 гг. выполняется два проекта: «Развитие протеогеномного направления Междисциплинарного ЦКП КФУ для обеспечения клеточных, геномных и постгеномных исследований в Приволжском регионе» и «Создание диагностической панели для оценки качественного и количественного состава микробиоты содержимого кишечника».
3. НОЦ фармацевтики. Создан в рамках программы Фарма-2020. Основная задача — разработка инновационных лекарственных средств: синтез фармсубстанций, скрининг на специфическую активность, выяснение механизмов действия, доклинические исследования, изготовление готовых лекарственных форм.
4. В рамках Программы повышения конкурентноспособности созданы научно-исследовательские лаборатории OpenLab и четыре Центра превосходства — «Геномика, протеомика и биотехнологии», «Регенеративная и трансляционная медицина», «Нейробиология» (создан при поддержке мегагранта Правительства РФ), «Фармацевтика».
5. Научно-исследовательский комплекс КФУ оснащен блоком лабораторий для работы с клеточными культурами и современным виварием. За последние несколько лет коллективами освоены современные методы перепрограммирования ряда клеток в iPS, а также разработаны методики выделения стволовых раковых клеток из первичных опухолей, что является одним из ключевых факторов для успеха предлагаемого проекта.
В рамках сотрудничества с институтом РИКЕН созданы зеркальные лаборатории, ориентированные на работу с генетикой на клинических образцах в России и Японии. Лаборатории оснащены наиболее современными выскопроизводительными секвенаторами линейки Illumina, и международными коллективами успешно применяются методы полногеномной оценки транскрипционной активности промоторов и идентификации энхансеров.

Достижение глобального лидерства (превосходства), как один из результатов реализации проекта

Реализация проекта позволит создать на базе КФУ (САЕ) центр компетенции “Трансляционные РНК технологии”. В настоящее время, на территории РФ отсутствуют исследовательские центры, направленно работающие в области полногеномных технологий анализа РНК в трансляционных и, в целом, биомедицинских направлениях. Уникальность проекта КФУ в том, что путем реализации нескольких модулей:
•от профилирования регулома клеток до генерации персонифицированных целевых клеточных линий
•от профилирования энахансерной и промоторной активности генома в мыщцах в онтогенезе, норме и патологии до прототипов новых генотерапевтических препаратов и достижения эффективности и безопасности генотерапии на уровне полногеномной экспрессии в целевых тканях и клетках
•от идентификации этноспецефического профиля онко-мутаций и их влияния на профиль экспрессии РНК до комплексного неинвазийного диагностического продукта для проспективного анализа развития онкозаболевания
•от создания таргет-сфокусированных библиотек гидовых РНК для системы геномного редактирования до идентификации диагностически и терапевтически ценных маркеров лекарственной устойчивости
будет отработана целостная платформа, позволяющая, в том числе, в тесном партнерстве с ведущими научными центрами РФ дальнейшем создавать конечные диагностические и терапевтические решения используя освоенные алгоритмы.Еще одна особенность проекта, что команда комбинирует освоение ведущих технологий на основе РНК (CAGE анализ, РНК редактирование, CRISPR анализ, перепрограммирование на основе высокопроизводительного анализа, анализ нуклеиновых кислот в плазме крови) на уникальных объектах (мышечный атлас, патологии, наработки в генотерапии) и задачах (проспективный анализ онкозаболеваний, безопасность и эффективность генотерапии) что позволит позиционировать университет и в области фундаментальных исследований, в частности вопросов старения, дифференцировки и регенерации мышц и нервной систем.

Значимость, востребованность и научная новизна проекта

Приоритетные научно-технические задачи проекта связаны с диагностикой и лечением основных социально-значимых заболеваний, в первую очередь, онкологических, нейро-мышечных и сердечно-сосудистых.
Предлагаемый проект представляет собой не столько исследовательскую программу отдельного ВУЗа, сколько программу формирования в РФ консорциума ведущих научных центров, комбинация компетенций которых позволит достичь наиболее значимы результатов. Причем, план совместных исследований предполагает последующее совместное использование результатов проектов, также как и установление долгосрочных партнерств для последующей совместной реализации больших консорциумных проектов.
Изучение регуляторных генетических процессов в мышцах и мышечных клетках человека и модельных животных позволят значительно развить знания о формировании нейро-мышечной системы и процессах регулируюших работу клеток при различных мышечных патологиях и атрофических процессах. Кроме глубокого научного интереса данный проект позволит создать платформу для гено-терапевтических подходах нового поколения. Сами проекты MUSCLE-FANTOM и INFLAMATION-FANTOM, без совмения привлекут внимание международной научной общественности, в частности, с учетом уникальности анализируемых образцов и подходов.
Благодаря эффективному синтезу технологий анализа активности РНК и методов получения стволовых раковых клеток, будут получены новые уникальные данные о регуляции процессов дифференцировки клеток в разных формах онкозаболеваниях. Трудоемкость процесса выделения и подтверждения аутиетичности стволовых клеток привели к отсутствию системного, детального метаанализа транскриптома тканеспецифичных стволовых клеток. Уникальная квалификация центра позволит нам создать библиотеку данных для тканеспецифичных эндогенных и опухолевых стволовых клеток. Возможности FANTOM и Mogrify позволят определить новые таргетные белки для создания противоопухолевых нетоксичных препаратов.Отдельно стоит отметить, что, уникальная география КФУ и работа в партнерстве с медицинскими учереждениями в рамках исследований позволит оценить возможный эффект этнического геномного компонента на спектр мутаций связанных с онкозаболеваниями, динамики генетической регуляции мононуклеарных клеток при различных заболеваниях и других проессов. Глубокий анализ этих факторов позволит разработать наиоболее универсальные, и одинаково эффективные вне зависимости от персонифицированных генетических особенностей пациентов, диагностические и терапевтические решения.

Значимость и востребованность проекта в технологиях

В основу концепции заявки легли лучшие компетенции как КФУ, так и партнеров. В частности, многолетняя специализация RIKEN (главного иностранного партнера) на анализе транскрипции генома, и наличие набора уникальных технологических платформ как для диагностики, так и для терапевтического использования РНК.

Наличие развитой научной инфраструктуры, включая зеркальные геномные лаборатории в России и Японии и многолетнее плодотворное сотрудничество российских и японских коллективов предоставляет уникальный задел для формирования на базе CАЕ «7P Медицина» уникального для РФ центра компетенций в области РНК технологий, где проводятся полные циклы разработок от поисковых исследований до разработки готовых диагностических и терапевтических решений.
Важно отметить, что большинство компонентов исследовательской программы были инициированны не только основываясь на большом научноым интересе проблемы, но и с учетом запросов индустриальных партнеров и консорциума медицинских учереждений партнеров, как Казани так и других регионов представляющих участников синергетической заявки (КФУ-ТГУ-МФТИ-НГУ).

Таким образом, проекты программы, включая таковые являющиеся консорциумными программами с высоким фундаментальным интересом: MUSCLE-FANTOM и INFLAMATION-FANTOM представляют собой трансляционные исследования, результаты которых ожидаемы и востребованы в практической медицине. Благодаря сотрудничеству с японским партнером, с его уникальным меню технологических подходов для исследования и применения нуклеиновых кислот, а также с ведущими российскими и зарубежными партнерами, в результате выполнения проекта будут получены готовые диагностические и терапевтические коммерциализуемые решения. В частности, в области генотерапевтических решений будут разработано новое поколение генетических конструкций, обладающих специфичной для целевых тканей и клеток эспрессией и, в то же время, повышенной устойчивостью и эффективностью экспрессии.

В области клеточного перепрограммирования и, особенно, в подходах с применением пациент-специфичных индуцированных стволовых клеток, на основе полногеномного профилирования экспрессии РНК на уровне отдельных промоторов, будет разработана платформа для оценки эффективности применяемых клеточных методов.
Еще одна особенность проекта заключается в организации многоэтапного процесса разработки инновационной продукции по связанным технологических направлений в области клеточной биологии и медицины. Это позволит сочетать проведение поисковых и прикладных исследований по отдельным технологическим задачам и подготовке, доклинических испытаний и организации производства – по другим.

Затраты проекта диверсифицируются между участниками консорциума трансляционной медицины, в том числе в в формате синергетических заявок. Таким образом, будет создана единая платформа для исследования и внедрения новых технологий, основанных на РНК-профилировании и генетическом редактировании клеток человека, для борьбы с социально значимыми заболеваниями