Скрининг токсичности и токсикогеномика

Классическая токсикология наблюдает конечные точки на уровне организма: у животного развивается поражение, оно теряет вес — или нет. Именно вокруг этих исходов написано регулирование, но они медленны, дороги, нечувствительны к редким эффектам и требуют животных. Токсикогеномика подставляет более раннее и богатое измерение — молекулярный ответ клеток или ткани на воздействие — и спрашивает, предсказывает ли этот ответ конечную точку.

Идея сигнатуры и её арифметика

Соединение возмущает транскрипцию в картине, отражающей задействованные пути: ответ на окислительный стресс, ответ на повреждение ДНК, активацию ядерных рецепторов, нарушение работы митохондрий. Референсные коллекции, связывающие соединения с профилями экспрессии, позволяют сравнить профиль нового вещества с профилями веществ с известными эффектами, и механизм выводится по сходству, а не из гипотезы. Те же данные поддерживают чтение зависимости доза-эффект: транскрипционные изменения измеряют в ряду концентраций, а точку отсчёта оценивают по дозе, с которой начинаются согласованные ответы генных наборов. Эмпирически транскриптомные точки отсчёта нередко оказываются близки к полученным по организменным конечным точкам в той же схеме исследования, — и это количественное основание считать их суррогатом скринингового уровня.

Задача согласованности

Трудность в том, что молекулярный ответ свидетельствует о возмущении, а не о вреде. Клетки включают стрессовые ответы и на воздействия, от которых полностью восстанавливаются, поэтому сигнатура способна пометить соединение, которое у животного никогда не вызвало бы повреждения. В обратную сторону полностью упускаются токсичности, зависящие от свойств, которых у теста нет: метаболической активации ферментами печени, отсутствующими в клеточной линии, участия иммунитета, накопления за месяцы, действия на непредставленную ткань. Поэтому согласованность между сигнатурами in vitro и исходами in vivo зависит от вещества и конечной точки — хороша для одних механизмов и плоха для других, — и единая итоговая цифра точности для всего подхода эту структуру скрывает.

Вторая половина задачи — экстраполяция. Тест сообщает номинальную концентрацию в лунке, а регуляторное решение требует внешней дозы. Концентрация, реально доходящая до клетки, отличается от номинальной, потому что соединения связываются с пластиком, белком сыворотки и липидами, а перевод свободной концентрации во введённую дозу требует обратной дозиметрии через фармакокинетическую модель. Неопределённость часто сосредоточена именно на этом шаге, а не в самом тесте.

Что установили программы

Tox21, сотрудничество федеральных ведомств США, просканировала библиотеку из тысяч химических веществ по обширной панели клеточных тестов в количественном высокопроизводительном формате. Её долговременный вклад — открытый массив данных о зависимостях доза-эффект необычного объёма и наглядная демонстрация возможностей формата: он эффективно расставляет приоритеты среди веществ и выявляет активность путей и сам по себе не воспроизводит токсичность целого организма. Более широкая система новых методических подходов, которую сейчас активно разрабатывают регуляторы, сочетает такие тесты с органотипическими культурами, моделированием экспозиции и переносом свойств между структурно родственными веществами, а критерием приёмки служит сверка с накопленными данными на животных.

Реалистичное нынешнее положение: эти методы утвердились для расстановки приоритетов, механистической интерпретации и сокращения числа необходимых исследований на животных и всё ещё проходят квалификацию — конечная точка за конечной точкой — для их замены в регуляторных досье.