Может ли измерение иммунного здоровья изменить медицинскую помощь?

Поиск практических способов анализа состояния иммунной системы человека может помочь в принятии решений о лечении и создать возможности для профилактики заболеваний.

   Иммунная система играет центральную роль в здоровье человека. Когда это не удается, люди могут стать более восприимчивыми к инфекциям и раку. При нарушениях иммунитета он может атаковать собственные ткани организма и с возрастом способствовать развитию хронических заболеваний. Люди одного и того же возраста могут иметь поразительно различную иммунную систему, сформированную генетикой, а также факторами окружающей среды и образа жизни, включая загрязнение воздуха, курение, диету и перенесенные инфекции. Все больше данных свидетельствует о том, что изменение «биологического возраста» иммунной системы (скорости ее старения, отличающейся от хронологического возраста) имеет значение для здоровья. Это изменение связано с нейродегенерацией, раком и риском летального исхода.

   Тем не менее, у клиницистов нет обычного способа измерить, насколько здорова иммунная система, потому что она представляет собой динамическую сеть, которая может меняться со временем. В нее вовлечены специализированные органы, которые поддерживают развитие и функционирование иммунных клеток, а также иммунные клетки, которые могут циркулировать по всему телу и находиться в тканях. Сигнальные молекулы, такие как цитокины и хемокины, позволяют этим иммунным клеткам и тканям взаимодействовать.

   Клинические тесты дают лишь фрагментарную картину иммунной системы. Врач может проверить количество лейкоцитов человека, чтобы установить, находятся ли циркулирующие иммунные клетки на необычно высоком или низком уровне. Можно также измерять биомаркеры крови, такие как С-реактивный белок, который может указывать на воспаление. Но ни один из показателей не является специфичным для конкретного состояния здоровья и не указывает на то, является ли иммунная система в целом устойчивой или находится в упадке, а также способна ли она обеспечить эффективный ответ на инфекции и другие проблемы.

   Тем не менее, достижения в иммунологии, молекулярном профилировании, медицинской визуализации и искусственном интеллекте открывают новые возможности для измерения состояния иммунной системы людей. Для исследователей создана основа для разработки иммунома: комплексной характеристики иммунного здоровья клеток, тканей, органов и молекулярных взаимодействий.

Дефиниции иммунома
Множество анализов могут предоставить информацию о состоянии иммунной системы человека.

   Исследовательские инициативы, такие как Проект иммунома человека, начинают предоставлять необходимые данные. Остается неясным, можно ли использовать эту информацию для улучшения ухода за пациентами и как этого можно достичь. Какие измерения лучше всего отражают клинически важные аспекты иммунного здоровья человека? Насколько стабильны эти переменные во времени? И, что наиболее важно, может ли их оценка улучшить принятие клинических решений и, в конечном итоге, исходы заболевания?

   Измерить каждый аспект иммунной системы слишком сложно. Вместо этого исследователи должны попытаться определить ключевые особенности, которые можно легко оценить в клинике, чтобы отметить те аспекты иммунной системы, которые ослаблены или быстро снижаются, хотя этого не должно быть. Такие оценки могут открыть возможности для профилактики заболеваний, разработки рекомендаций по лечению и методов мониторинга принимаемых мер. Например, эти функции могут позволить врачам распознавать случаи ускоренного иммунного старения и выявлять людей, нуждающихся в тщательном наблюдении. При лечении рака показатели иммунного здоровья могут помочь выявить людей, которым, скорее всего, принесут пользу методы лечения, основанные на иммунной системе, а также людей с высоким риском побочных реакций.

   Такие измерения также могут помочь исследователям понять, почему люди одного возраста и, по-видимому, одинакового здоровья иногда имеют существенно разные реакции на одну и ту же инфекцию — явление, которое было очевидно во время пандемии COVID-19. Реакция антител на одну и ту же вакцину также сильно различается у разных людей. Если бы эту изменчивость можно было измерить, врачи могли бы использовать ее для адаптации профилактических мер, лечения и мониторинга к иммунной системе человека. Исследователи и системы здравоохранения должны работать над поиском наименьшего и наиболее масштабируемого набора измерений, который сможет выявить значимые различия в иммунной функции и определять клинические решения. Здесь мы намечаем план перемещения иммунома из лаборатории в клинику.

   Во-первых, ученые должны создать базы данных, используя большие выборки пациентов и биобанки. Для полного понимания иммунного здоровья потребуется измерение нескольких компонентов иммунной системы наряду с более широкими показателями здоровья и заболеваний у одних и тех же людей с течением времени. Анализ генов и экспрессии генов в отдельных клетках из крупных популяций и биобанков может помочь исследователям понять, какие группы иммунных клеток присутствуют в отдельных популяциях. Это могло бы выявить, какие гены и сигнальные пути активны в определенных популяциях клеток и какая комбинация маркеров лучше всего различает здоровое, ослабленное и дисфункциональное иммунное состояние. Анализ белков крови может указать, испытывает ли человек воспаление и активирована ли его иммунная система. А изучение рецепторов лимфоцитов может выявить разнообразие клеток, способных распознавать угрозы. Эти рецепторы определяют, какие патогенные антигены будут идентифицировать клетки; большее разнообразие обычно позволяет иммунной системе обнаруживать более широкий спектр угроз.

   Исследователи также должны изучить, как иммунная система меняется с течением времени, чтобы реагировать на проблемы. Изучение людей до и после вакцинации — один из стандартизированных способов сделать это. Уже ясно, что иммунное состояние человека до вакцинации может предсказать силу и характеристики последующего иммунного ответа. Теперь задача состоит в том, чтобы выяснить, может ли реакция человека на плановую вакцинацию обеспечить практическое определение его иммунной компетентности и можно ли изменить иммунное здоровье человека перед такими вмешательствами, как вакцинация или иммунотерапия рака, чтобы улучшить его ответ.

   Базы данных, используемые для исследования иммунитета, должны отражать разнообразие человеческого иммунитета, поскольку генетика и факторы окружающей среды изменяют иммунные состояния. Например, эффективность вакцины против малярии может заметно различаться между группами населения на разных континентах. Тем не менее, многие существующие массивы данных по иммунопрофилированию сосредоточены на популяциях из стран с высоким уровнем дохода. При изучении различных популяций исследователи по всему миру должны использовать одни и те же протоколы, чтобы можно было сравнивать результаты из разных регионов.

   Большой проблемой будет разобраться в сложных массивах данных. Инструменты ИИ могут выявлять закономерности в тысячах иммунных измерений, но эти закономерности могут отражать различия между популяциями, лабораториями или технологиями, но не закономерности лежащие в основе иммунного здоровья. Поэтому модели необходимо будет протестировать на независимых популяциях и во временной шкале, чтобы установить, какие сигналы являются надежными и клинически значимыми.

   Ученые, работающие над проектом «Иммуном человека», разрабатывают и применяют подходы искусственного интеллекта к данным иммунома, собранным у различных групп населения. Важной целью проекта является создание справочных карт и базовых моделей, которые ученые смогут использовать для таких задач, как определение небольших управляемых наборов измерений, которые будут полезны в клинических условиях.

   Имея на руках крупномасштабные данные, исследователи должны работать над упрощением. Об успехе этой области следует судить не по тому, сколько иммунных переменных можно измерить, а по тому, можно ли улучшить процесс принятия клинических решений, используя лишь небольшой набор из них. Тесты, используемые в клинике, в идеале должны быть дешевыми и не должны предъявлять пациентам дополнительных требований. Прежде чем какие-либо инструменты искусственного интеллекта можно будет использовать на регулярной основе, их необходимо будет протестировать в различных клиниках и группах населения. Исследователи должны установить, действительно ли эти методики улучшают решения о лечении.

   Одним из примеров инструмента, который может быть полезен в клинике, является модель искусственного интеллекта, способная извлекать информацию об иммунном здоровье из обычных анализов крови и клинической информации, такой как возраст, пол, масса тела и история болезни. В исследовании, опубликованном в прошлом году, такой подход позволил предсказать последствия для здоровья после лечения иммунотерапией у людей, больных раком.

   Кроме того, анализ медицинских изображений и сканирований на основе искусственного интеллекта можно использовать для оценки здоровья органов, связанных с иммунитетом, таких как вилочковая железа. Например, одно исследование показало, что здоровый тимус у взрослых связан с более низкой заболеваемостью раком и меньшим риском смерти от сердечно-сосудистых заболеваний. Здоровье тимуса также было связано с лучшими результатами для людей, проходящих иммунотерапиею рака. Инструменты искусственного интеллекта, подобные этому, могут в конечном итоге помочь выявлять людей, которым необходим регулярный мониторинг, и помогать в принятии решений о лечении.

   Углубленные измерения могут предоставить детальную информацию. Например, данные протеомных анализов, которые измеряют уровни тысяч белков в организме, могут использоваться в вычислительных моделях для оценки степени старения иммунной системы человека и отдельных популяций иммунных клеток. Другие подходы могут объединить информацию о количестве и разнообразии иммунных клеток в организме с данными о путях молекулярной передачи сигналов, активных в этих клетках, показывая, как состав и активность иммунных клеток изменяются с возрастом.

   Обнадеживает тот факт, что сложные иммунные данные можно свести к простым измерениям, которые могут быть полезны в клинике. Например, в исследовании 2024 года модель машинного обучения была обучена с использованием нескольких типов измерений, связанных с иммунитетом, как у здоровых людей, так и у людей, у которых было одно из 22 редких наследственных иммунных заболеваний. Модель создала единый показатель иммунного здоровья, который можно было использовать для выявления пациентов с иммунными нарушениями. При использовании в других группах людей она может выявить иммунную дисфункцию при распространенных аутоиммунных заболеваниях, отслеживать реакцию на лечение и прогнозировать, насколько хорошо пожилые люди будут реагировать на вакцинацию.

   Исследователи должны сравнить информацию, полученную в результате простого и глубокого иммунного профилирования, чтобы выяснить, может ли небольшой набор биомаркеров отразить клинически значимые аспекты иммунного здоровья. Инструменты искусственного интеллекта могут помочь определить, какие комбинации измерений являются наиболее информативными. Задача будет заключаться в том, чтобы гарантировать, что эти комбинации отражают основную иммунную биологию, а не различия между наборами данных, больницами и популяциями, и чтобы они оставались надежными при тестировании на различных группах людей. Цель должна состоять в том, чтобы выявить поддающиеся интерпретации характеристики иммунного здоровья, такие как устойчивость к биологическим проблемам, ускоренное снижение и нарушение адаптивной способности, а также качество реакции на возмущения, такие как вакцинация, которые можно проверить среди населения и связать с клиническими действиями.

   Некоторые могут задаться вопросом, не является ли иммунная система слишком сложной и динамичной, чтобы ее можно было охватить доступными клиническими методами. Это может быть правдой. Но в медицине принято использовать простые измерения, чтобы сообщить о важных аспектах сложных биологических систем. Например, артериальное давление не описывает всю сердечно-сосудистую систему, но имеет огромное клиническое значение. Точно так же измерения уровня глюкозы в крови не отражают все метаболические процессы, но они имеют решающее значение для диагностики диабета. Клинический анализ иммунного здоровья может в конечном итоге потребовать принятия нескольких мер, каждый из которых представляет отдельный аспект иммунной функции.

   Еще один вопрос заключается в том, будут ли исследовательские усилия лучше сосредоточены на более узких вопросах — например, на прогнозировании того, как люди будут реагировать на определенное лекарство, — чем на измерении широких аспектов иммунного здоровья. На наш взгляд, необходимы оба подхода. Конкретные тесты могут помочь принять индивидуальные решения, тогда как более широкие меры иммунного здоровья могут предоставить информацию об основной способности иммунной системы реагировать на многие заболевания и вмешательства.

   Прежде чем широко внедрять какие-либо клинические измерения, необходимо разработать стандарты ответственного использования информации об иммунном здоровье. Иммунитет человека может выявить будущую восприимчивость к болезням, вызывая проблемы конфиденциальности, аналогичные тем, которые связаны с геномной информацией. Исследователи, регулирующие органы и организации здравоохранения должны установить стандарты согласия, обмена данными и защиты от дискриминационного использования прогнозной информации об иммунитете.

   Международные рамки, используемые в области геномики, например, созданные Глобальным альянсом по геномике и здоровью, наряду с правовой защитой от генетической дискриминации, предоставляют модели, на которых можно строить. Но иммунитет представляет собой дополнительную проблему, поскольку, в отличие от генома, он меняется со временем, а это означает, что оценка иммунного здоровья человека может меняться по мере изменения его здоровья. Поэтому стандарты также должны будут учитывать, как информация об иммунитете обновляется, интерпретируется и передается людям.

   Исследования генома человека выявили коренные причины многих заболеваний. Иммуном может дополнить эту область, раскрывая изменяющуюся способность организма защищаться, адаптироваться к вызовам и восстанавливаться после биологического стресса. У исследователей есть инструменты, позволяющие начать измерять эту способность. Если ученые смогут определить, какие измерения имеют значение, проверить их на различных группах населения и установить, когда воздействие на них улучшает исходы заболеваний, иммунное здоровье может стать рутинным измерением медицины, которое рассматривается не только после того, как иммунная система отказала, но и как инструмент, помогающий сохранить здоровье.