Обучение деттей с РАС. Учебное пособие для студентов Москва 2018 Вводный курс Расстройства аутистического спектра
 Скачать 5.5 Mb.
|
|
Раздел 4. Биомаркеры Специалисты часто слышат от родителей детей с РАС вопрос о том, какую пользу их ребенку может принести картирование головного мозга. Как это ни парадоксально, но на сегодняшний день ответ на этот вопрос: «Никакую». Однако в перспективе такие исследова- ния могут быть очень полезными, потому что основная цель, стоя- щая за ними, заключается в создании системы биомаркеров РАС. Особую пользу она может принести семьям, входящим в группу риска, если у старшего ребенка или у кого-то из родственников уже стоит диагноз РАС, потому что при помощи системы биомаркеров станет возможным диагностирование РАС еще до того, как появят- ся первые симптомы. Исследователи рассчитывают, что в будущем благодаря данным, полученным из исследований по картированию, можно будет изменять траекторию развития мозга, который на дан- ном этапе еще не дифференцирован как мозг человека с РАС. В таблице ниже перечислены главные открытия, сделанные в процессе нейровизуализации детей и подростков с РАС посред- ством структурной МРТ, ДСТ и фМРТ. Они разделены по спосо- бам проведения исследования и по зонам, в которых обнаружены нарушения. В каждой из них обнаруживается множество группо- вых отличий головного мозга людей с РАС, но как применить эти находки в клинической практике, еще только предстоит выяснить. Большинство лабораторий, занимающихся решением этой за- дачи, обращаются к компьютерным методам статистической обра- ботки. Сначала исследователи собирают данные в обширную систе- му. Она помещается в компьютеры, которые затем ищут отдельные паттерны внутри этого массива, чтобы понять, чем отличаются друг от друга две дифференцируемые группы. В нашем случае это группа нормотипичных людей и людей с РАС. Компьютерной обработке подвергаются данные о временных, пространственных и структурных характеристиках головного мозга, собранных при помощи картирования. Затем исследователи пытаются сгруппиро- вать испытуемых только на основании полученных компьютером данных и определить, можно ли на базе выведенных паттернов отнести конкретного человека к той группе, к которой он уже был отнесен, и каков будет процент ошибок. Если классификационный признак выделен правильно, в дальнейшем он может быть приме- research.autism.help encyclopedia.autism.help Подробнее см. в Аутизм. энциклопедия encyclopedia. autism.help 184 Структурное и функциональное картирование головного мозга у людей с РАС Глава 7 нен для прогнозирования наличия диагноза у человека, которому он еще не поставлен. Основная особенность такого механизма классификации в том, что, возможно, с его помощью можно иден- тифицировать трудные случаи нарушений, которые не получается выявить традиционными методами. Сделать это можно будет с совсем небольшой погрешностью, возможно, еще до того, как у человека с РАС появятся первые симптомы. В выведении таких закономерностей состоит потенциальная клиническая значимость картирования головного мозга. Это очень трудоемкое направление исследовательской деятельности, и для его развития необходимо получить колоссальный объем информации. Однако в будущем оно может дать очень ценный ин- струмент для практиков, позволив составлять клинические тесты и характеристики степени риска развития симптомов РАС, особен- но у детей, входящих в группу риска. 185 Сводная информация о наиболее значимых находках нейровизуализации, полученных посредством магнитно-резонансной томографии детей и подростков с РАС Структурная МРТ Кора: — увеличение объемов серого и белого вещества — диссоциация между объемами больших полушарий и подкорковых структур — увеличение количества серого и белого вещества лобно-височных долей, в то время как теменная и затылочная кора, как правило, затронута в меньшей степени — увеличение дорсолатеральной и медиальной префронтальной коры — увеличение поясной коры — толщина коры отражает незрелость коры головного мозга с атипичными зонами в лобной, височной и теменной долях Подкорковые структуры: Миндалина — двустороннее увеличение объема у маленьких детей — траектория развития миндалины в целом соответствует развитию общего объема мозга Мозжечок — увеличение общего объема мозжечка и серого вещества — уменьшение среднесагиттальной поверхности и VI–VII долек червя мозжечка — гипоплазия червя — меньший объем серого вещества в левой и правой ножках I, дольке VIII и дольке IX Базальные ядра — увеличенный объем хвостатого ядра — ненормальные формы структур базальных ядер Мозолистое тело — уменьшенный общий объем — локальная гипоплазия в среднесагиттальной плоскости, передней части, теле и валике — увеличенный размер мозолистого тела (особенно при макроцефалии) Височная площадка — увеличенный объем левой стороны Диффузионно-тензорная МРТ Фракционная анизотропия — снижение показателя фракционной анизотропии во всем мозге — снижение показателя фракционной анизотропии в лобной доле — снижение показателя фракционной анизотропии в дугообразном пучке — снижение показателя фракционной анизотропии во всем мозолистом теле — снижение показателя фракционной анизотропии в передней таламической лучистости — увеличение показателя фракционной анизотропии в мозолистом теле у очень маленьких детей — увеличение показателя фракционной анизотропии и нарушение латерализации в дугообразном пучке Средний показатель диффузии — повышение среднего показателя диффузии во всем мозге — повышение средних показателей диффузии в левом полушарии — повышение среднего показателя диффузии в лобно-височной области — повышение среднего показателя диффузии во всем мозолистом теле Функциональная МРТ фМРТ при решении задач — гипоактивация веретенообразной извилины при реагировании на лица и выражения лиц — гипоактивация задней верхней височной борозды в ответ на биологические сигналы — гипоактивация системы зеркальных нейронов в процессе имитации, наблюдения за лицами и выражением эмоций — нетипичная обработка языковой информации в ходе решения различных задач — изменяемая активация во фронто- стриарных путях при контроле движений и торможении ответной реакции — функциональная недостаточная коннективность между передними и задними отделами мозга фМРТ в состоянии покоя — измененная коннективность в сети пассивного режима работы мозга — функциональная недостаточная коннективность в передне-заднем направлении 186 Структурное и функциональное картирование головного мозга у людей с РАС Глава 7 Выводы К методам картирования, которые сегодня используются ис- следователями для изучения развития головного мозга людей с РАС, относятся: ЭЭГ, МЭГ, ПЭТ и МРТ. Это универсальные ме- тоды, которые применяются также в работе с людьми с другими расстройствами развития. О процессе развития головного мозга людей с РАС известно пока немногое, так как исследований очень мало. В процессе формирования головного мозга людей с РАС на- блюдается ряд нарушений, как в сером, так и в белом веществе. Также атипичной является гирификация мозга людей с РАС. Коннективность головного мозга людей с РАС также атипична. Структуры, находящиеся далеко друг от друга, характеризуют- ся слишком слабыми связями, а локальные структуры — наобо- рот, слишком сильными. Практическая значимость процедур картирования головного мозга людей с РАС пока отсутствует, тем не менее важно прово- дить подобные исследования, чтобы в перспективе выстроить систему поиска биомаркеров РАС и на их основании методики более точной диагностики этих расстройств. 1 2 3 4 5 187 Глава 8 В этой главе мы поговорим об этиологии расстройств аутистического спектра. Мы подробно разберемся в том, как сегодня понимается генетическая, средовая и генно- средовая архитектура РАС. Содержание главы соответствует Лекции 8 видеокурса Е.Л. Григоренко «Расстройства аутистического спектра» Этиология РАС 190 Этиология РАС Глава 8 С ростом распространенности РАС вопросы о том, зачем людям с этими расстройствами и их семьям нужны многочисленные обследо- вания и анализы, звучат все чаще и приобретают все большее значе- ние. Попытки дать ответы на них лежат в основе целого направле- ния исследований, которое называется трансляционной медициной. Ее задачей является перенос научной информации и открытий в сферу практического применения. В исследованиях РАС один из важнейших вопросов заключается в том, как определить, по каким признакам дифференцировать здоровых лю- дей и людей с РАС. Для этого ученые сначала выявляют отличия, а за- тем трактуют их, чтобы понять их клиническое значение. В рамках research.autism.help encyclopedia.autism.help Подробнее см. в Аутизм. энциклопедия encyclopedia. autism.help Цикл трансляционной медицины ???? РАС Туберозный склероз Синдром ломкой X-хромосомы Синдром Ретта ИПСК Цикл трансляционной медицины Sahin & Sur, 2015 191 изучения этиологии РАС на первом этапе работ проводится интер- претация различий на уровне головного мозга, ищется объяснение тому, какое значение они имеют для его функционирования, затем проводится моделирование этих различий. Исследователи собирают и перепрограммируют клетки, формируют нейроны и выращивают модель головного мозга. Сначала подобная работа проводилась толь- ко на эмбриональном материале, но позднее мы научились перепро- граммировать и другие клетки (например, клетки кожи). Исследовательские достижения позволяют моделировать ранние процессы формирования головного мозга на уровне клеточных ме- ханизмов у носителя конкретного генома, имеющего собственный особый путь развития, будь то человек или животное. Такой тип моделирования можно противопоставить другому типу, в кото- ром используются не сами живые организмы, а их модели, что дает возможность наблюдать процесс в пробирке, строго контролируя его. В первом случае контроль невозможен, даже если работа ведется со специально выведенными линиями живых организмов, но именно этот процесс представляет для нас особый интерес. Он называется циклом открытия, или циклом трансляционной медицины. Этиология РАС Глава 8 192 Этиология РАС Глава 8 Раздел 1. Генетическая архитектура РАС Генетические механизмы РАС крайне разнообразны: среди них есть как простые, менделевские, передающиеся по доминантному или рецессивному типу, так и очень сложные, передающиеся по аддитив- но-полигенному признаку. Генетические нарушения, которые могут привести к поведенческой манифестации РАС (например, синдром ломкой X-хромосомы, туберозный склероз, синдром Ретта), в основ- ном очень хорошо описаны. У многих людей с этими заболеваниями есть диагноз РАС, но не у всех. РАС может с одинаковой вероятностью проявиться и не проявиться, даже если известна этиология генети- ческих нарушений. При этом поведенческая манифестация РАС, вы- званных синдромом Ретта, будет совершенно неотличимой от мани- фестации РАС, вызванных туберозным склерозом, хотя генетические механизмы развития этих заболеваний различны. 1 10 100 1000 Относительный риск развития РАС Часть генома, общая с человеком с РАС (%) 50 75 25 100 0 Процент людей Аутистические черты, оцененные при помощи инструментов SRS и AQ Ниже Выше Генетическая архитектура РАС ??? Генеральная популяция Родственники людей с РАС Лица с РАС Двоюродные братья и сестры, дяди и тетки Дизиготные близнецы и сиблинги Монозиготные близнецы Полусиблинги Генеральная популяция Показатели социального функционирования Bourgeron, 2015 193 На графике выше показано распределение показателей социального функционирования. Социально-коммуникативные сложности — это первый признак РАС. И хотя он является одним из критериев для постановки диагноза, он распределен неравно- мерно во всей генеральной популяции. Социальное функциони- рование каждого из нас можно измерить и отметить полученное значение на кривой распределения. Хотя форма у этих кривых разная, в нескольких точках они пересекаются, это значит, что даже среди людей с диагнозом РАС можно найти тех, у кого по па- раметру социального функционирования de jure не будет никаких проблем, они будут находиться не сильно ниже среднего показа- теля. Однако это не отменяет наличия у них диагноза из спектра аутистических расстройств. Такие же наблюдения можно сделать, отслеживая и другие характерные для людей с РАС особенности. Для генеральной популяции степень риска всегда равна рас- пространенности расстройства. Чтобы вычислить этот показатель, берется группа людей, о которых известно, что они не находятся друг с другом в близком родстве, и измеряется частота встреча- емости заболевания у них. Распространенность расстройства, подсчитанная таким методом, является базовой величиной и вы- ражает абсолютный риск для всей популяции. После ее вычисле- ния можно начинать стратифицировать эту популяцию, измерять частоту встречаемости расстройства в подгруппах родственников, определяя относительный риск в группах родителей/детей, брать- ев/сестер, теть/дядей и так далее. Для генеральной популяции в США частота встречаемости РАС составляет примерно 1,47 % (по России таких данных нет, но эта цифра тоже должна варьировать в пределах 1–2 %). С учетом этой базовой величины были проанализированы пары родственников, где один из них является носителем РАС, и оказалось, что распро- страненность расстройств аутистического спектра растет пропор- ционально степени родства. Чем выше степень родства, тем выше риск, что у родственника человека с РАС также будет стоять диагноз из спектра, так как геномы у близких родственников более схожи, чем у дальних. Для двоюродных братьев и сестер риск очень высок, но еще выше он для единокровных и единоутробных сиблингов, для полных сиблингов степень риска можно назвать крайне высокой, а если РАС диагностируется у одного из детей в паре монозиготных близнецов, то второй ребенок почти всегда получает тот же диагноз, поскольку степень схожести их геномов близка к 100 %. Генетическая архитектура РАС Раздел 1 194 Этиология РАС Глава 8 Такие наблюдения демонстрируют, насколько высока роль генетических факторов в возникновении расстройств аутистического спектра. Поэтому на сегодняшний день мы интерпретируем РАС как расстройства развития, обусловленные генетическими механизмами. Если попытаться в общем классифицировать генетическую природу расстройств, можно выделить два типа семей, в которых регистрируются случаи РАС. Симплексные семьи, в которых имеется только один носитель РАС. Мультиплексные семьи, в которых два и более случаев РАС. Это разделение имеет принципиальное значение, потому что оно иллюстрирует наличие разных генетических механизмов и разной степени риска в семьях. Генетические механизмы РАС могут быть как наследственными, так и возникать спонтанно. Вто- рой тип мутаций очень важен для нашего разговора, это мутации de novo , то есть возникающие впервые. 1 2 research.autism.help encyclopedia.autism.help Подробнее см. в Аутизм. энциклопедия encyclopedia. autism.help 1 10 100 1000 Относительный риск развития РАС Часть генома, общая с человеком с РАС (%) 50 75 25 100 0 Процент людей Аутистические черты, оцененные при помощи инструментов SRS и AQ Ниже Выше Генетическая архитектура РАС ??? Генеральная популяция Родственники людей с РАС Лица с РАС Двоюродные братья и сестры, дяди и тетки Дизиготные близнецы и сиблинги Монозиготные близнецы Полусиблинги Генеральная популяция Генетический риск РАС Bourgeron, 2015 195 Популяционная оценка частоты встречаемости РАС — 1 %. Следовательно, для остальных 99 % семей в популяции риск составляет 0 %. Но это не значит, что индивидуально для каждой семьи этот риск также оценивается на уровне 0 %. Для семей, в которых фиксируется случай РАС, степень риска пересматри- вается. Примерно половина семей остается в зоне низкого риска, а у второй половины он оценивается как высокий. Причем для мальчиков риски приблизительно в 4 раза выше, чем для дево- чек. Семьи, где РАС есть у двух и более детей, попадают в зону высокого риска в 99 случаях из 100 (то есть вероятность рожде- ния ребенка с РАС — 99 %). С каждым последующим ребенком с установленным диагнозом РАС риски изменяются и диффе- ренцируются для мальчиков и девочек, и даже для потомков мужского пола этих мальчиков риск выше примерно в 4,5 раза. То есть наряду с мутациями de novo свою роль играют механиз- мы, которые передаются из поколения в поколение в семьях, где есть один и более человек с РАС. Еще один важный фактор риска связан с силой эффекта. В че- ловеческом геноме присутствует примерно 20 000 генов, которые кодируют производство белков. До начала XXI века ожидалось, что у человека их будет порядка 100 000, потому что иначе полу- чается, что в геноме простого томата больше генов, чем в геноме человека, но эта гипотеза не подтвердилась. Парадоксальная, казалось бы, информация, но она объясняется тем, что генетиче- ский материал в человеческом организме используется постоянно и многократно. Одну и ту же генную цепочку информации можно считывать по-разному, чтобы каждый раз получившийся белок отличался. Порядка 90 % генов производят белки, которые на том или ином этапе можно найти в головном мозге, поэтому неудиви- тельно, что расстройства развития могут вызываться мутациями самых разных генов. С влиянием и многообразием генетических механизмов тесно связано явление генетического эффекта. Мутация генов может иметь большой эффект и сильно влиять на развитие человека, а может иметь небольшой эффект. Но если мутаций с маленьким эффектом много, то им свойственно накапли- ваться в половых клеточных структурах, передаваясь по наследству. Впоследствии это значительно увеличивает риск развития генети- чески обусловленных расстройств развития у потомков. РАС мо- жет сформироваться по любому из этих сценариев: в одном случае у человека может накопиться много мутаций с небольшим эффек- Генетическая архитектура РАС Раздел 1 196 Этиология РАС Глава 8 том, и вместе они приведут к возникновению расстройства, в другом случае одна-единственная мутация с большим эффектом может стать причиной развития синдрома. Правда, по наследству единичные мутации такой силы передаются крайне редко и чаще возникают de novo в семьях, где другие родственники не являются носителями РАС. Считается, что примерно 1200 генов человека вовлечены в формирование расстройств аутистического спектра, поэтому ге- нетических путей возникновения РАС очень много. Мы даже точно не знаем их количества. В исследовании генетических механизмов расстройств раз- вития, как правило, задействуются сразу несколько лабораторий. Сначала выделяется ген, который может быть вовлечен в форми- рование расстройства, изучается его функция на моделях живот- ных, а затем — его роль в формировании расстройств у людей. Пример такой работы показан в таблице справа. Самый первый уровень изучения — молекулярный. Выделяется ген, например, CHD2, который отвечает за ремоделирование хроматина (струк- турной единицы ДНК). Затем изучаются аналоги этого гена на ма- териале различных моделей животных (в случае CHD2 — у рыбы- зебры и грызунов), а также связь гена с расстройствами у людей. Для гена CHD2 было выявлено, что он связан с РАС, умственной отсталостью, эпилепсией и фотосенситивностью. Затем исследо- ватели снова возвращаются на молекулярный уровень и пытаются определить, что происходит в клетках организмов животных в ходе различных экспериментов (например, нокдаун CHD2 у мышей при электропорации in utero вызывает аномалии развития мозга) и как полученные данные могут улучшить наше понимание кли- нических манифестаций расстройств у людей. Подробно механизм подобной работы изложен в исследовании 2015 года Genetics and genomics of autism spectrum disorder: embracing complexity. Human Molecular Genetics 1 1. Де Рубейс С., Буксбаум Дж.Д. Генетика и геномика расстройств аутистического спектра: всеобъемлющая сложность [De Rubeis S., Buxbaum J.D., Genetics and genomics of autism spectrum disorder: embracing complexity. Human Molecular Genetics, 2015, 24(R1), R24–R31. doi:10.1093/hmg/ddv273] research.autism.help encyclopedia.autism.help 197 Генетическая архитектура РАС Раздел 1 Роль различных генов в развитии расстройств у животных и людей Функции в нервной системе Модели животных Клинические проявления CHD8 ADNP TBR1 ANK2 CHD2 Условные сокращения: KO — нокаут гена, KD — нокдаун гена, Het — гетерозигота, cKO cardiac — условный нокаут сердечной изоформы, cKO Schwann — условный нокаут в шванновских клетках, IUE — электропорация in utero, mut/mut — гомозиготные мыши, у которых отсутствует ДНК-связывающий домен, +/mut — гетерозиготные мыши Ремоделирование хроматина Сцепленные с полом дефициты социального узнавания и памяти РАС, умственная отсталость РАС, умственная отсталость, эпилепсия РАС, умственная отсталость Пороки развития, макроцефалия Нарушения сна Расширение желудочков головного мозга Гипоплазия мозолистого тела Дегенерация зрительного нерва Дефекты строения костно-мышечной системы Неонатальная миопатия Фотосенситивность Судорожные состояния РАС Умственная отсталость Эпилепсия Фотосенси- тивность Синусовая брадикардия Вариабельность сердечного ритма Внезапная сердечная смерть Гибель проекционных нейронов в обонятельной луковице Повреждения коры головного мозга Повреждения миндалины Дефициты: — ассоциативной памяти — когнитивной гибкости — социального взаимодействия — механизмов вокализации Эмбриональная смертность Ремоделирование хроматина Ремоделирование хроматина Регуляция транскрипции Направленное воздействие и стабилизация начального сегмента аксона Динамика микротрубочек Аутофагия Нарушения подвижности ЖКТ Проблемы ЖКТ Пороки развития Гипотония Эмбриональная смертность Постнатальная смертность Микроцефалия РАС Сердечная аритмия Задержка в росте Аномалии почек Лордокифоз Дефекты строения коры головного мозга Перинатальная смертность Задержка в росте Макроцефалия Нарушение эритропоэза ЖКТ КО het КО КО cKO cardiac mut/mut IUE KD het het cKO Schwann +/mut 198 Этиология РАС Глава 8 Свой вклад в понимание генетических механизмов РАС может привнести картирование головного мозга. Исследователи моделируют влияние нескольких генов на разные структуры моз- га и пытаются при помощи картирования обнаружить характер- ные для РАС признаки, отследить цепочку «гены — мозг — пове- денческие проявления». В исследовательских кругах систематически составляются обзоры, в которых анализируется материал, собранный как в ходе клинических исследований пациентов, так и при изучении моде- лей. При таком многоуровневом анализе сначала исследуется ней- роанатомический уровень, потом — системный, а затем — молеку- лярно-клеточный. На нейроанатомическом уровне исследователи анализируют динамику роста головного мозга у людей с РАС и как она изменяется в ходе развития. В анализе на системном уровне отслеживается формирование связи между структурами голов- ного мозга и генами, принимающими непосредственное участие в динамике активации и торможения при передаче сигнала в го- ловном мозге людей с РАС. При изучении данных, полученных из исследований на клеточном уровне, рассматриваются такие процессы, как, например, деградация и синтез различных белков. Необходимость проведения таких многоуровневых исследований диктуется сложностью расстройств аутистического спектра. К их возникновению ведет огромное количество механизмов, в том числе генетических, но причины и условия их формирования еще только предстоит определить. Далеко не каждая поломка в геноме ведет к формированию расстройств. Практически всегда она сопровождается запуском компенсаторных механизмов. Отчасти это объясняет наличие большого количества случаев, когда мутация присутствует, но она не приводит к проявлению фенотипа РАС: это говорит о высоком уровне пластичности нейробиологических структур. Компенсатор- ные механизмы заложены в любой системе, и мы только начина- ем их понимать. Кроме того, далеко не всегда мутации вредонос- ны: один и тот же ген или геном может изменяться по-разному и приводить к формированию разных фенотипов, не обязательно относящихся к каким-либо расстройствам. Большинство генных механизмов, которые влияют на пове- дение человека, крайне плейотропны, то есть гены отличаются относительно невысокой специализацией. Есть профили, которые их разделяют, есть их функциональное назначение, но с точки 199 зрения их влияния на типичность или атипичность развития они обычно выступают «мастерами на все руки», причем одни и те же гены могут влиять на появление как структурных, так и функцио- нальных изменений. Традиционно исследователи уделяют большое внимание отклонениям от типичного развития. Несмотря на то что чаще всего изучаются расстройства, одаренность также может попадать в сферу интересов ученых. Например, первые работы, посвящен- ные РАС, включали в себя описания незаурядных способностей носителей этих расстройств. Сегодня уже точно установлено, что у людей с РАС достаточно часто встречаются выдающиеся талан- ты. Иногда можно даже говорить об их гениальности в чем-то. Но откуда берутся эти способности и обусловлено ли их появле- ние теми же генами, которые вызывают РАС? Пока эти вопросы не решены, и мы знаем намного меньше о причинах различных расстройств, чем о факторах, определяющих наличие выдающих- ся способностей и одаренности. Генетическая архитектура РАС Раздел 1 |