A képalkotó technológia az elmúlt évtizedben gyors fejlődésnek indult, melynek segítségével a radiológiai fenotípusok egyre pontosabb és átfogóbb vizsgálatára van lehetőség. A csaknem azonos genetikai állományú egypetéjű ikrek vizsgálata – különösen, ha egyikőjük krónikus betegségben szenved – segíthet megérteni, hogy a genetikai és környezeti (beleértve a bél mikrobiomot) hatások hogyan járulnak hozzá a komplex betegségek kialakulásához és radiológiai megjelenésükhöz. A képalkotás és az epigenetikai információ ötvözése képes arra, hogy megválaszolja azokat a kérdéseket, hogy a különböző képalkotó fenotípusok összefügghetnek, és akár előre jelezhetik az epigenetikai módosításokat, amelyek összefüggnek a szervek (például az agy) szerkezetével, működésével és anyagcseréjével, ami befolyásolja a betegség kialakulásának kockázatát és a progresszióját. A képalkotó módszerek epigenetikai markerekkel való integrálása, avagy a képalkotó epigenetika ígéretesnek tűnik. Az egyik legfontosabb epigenetikai markert, a bél mikrobiomot számos betegség kialakulásával összefüggésbe hozták. Az ikervizsgálatok lehetővé teszik a gazdaszervezet genetikai tulajdonságai és a bél mikrobiom sokfélesége közötti kapcsolat kutatását különböző betegségek terén, ami új biomarkerek és terápiás lehetőségek felfedezéséhez vezethet. Mindezen vizsgálatokhoz szükséges egy széles körű, nagy méretű, populációalapú hazai ikerregiszter, amely a Semmelweis Egyetemen létesül.

 

 

Imaging technology has developed rapidly over the past decade, enabling more precise and comprehensive examination of radiological phenotypes. Examination of monozygotic twins with almost identical genome, especially if one of them suffers from a chronic disease, can help to understand how genes and the environment (including gut microbiome) contribute to the development and radiologic appearance of complex diseases. Combination of epigenetics with imaging can answer questions whether various imaging phenotypes can predict epigenetic modification, that are related to organ (such as brain) structure, function and metabolism, which impacts disease risk and progression. Integration of imaging methods with epigenetic markers, i.e. imaging epigenetics, seems promising. One of the most important epigenetic markers, the gut microbiome has been associated with a variety of diseases. Twin studies allow the assessment of the relationship between host genetic variation and the diversity of gut microbiomes in various diseases, leading to the discovery of new biomarkers and therapeutic approaches. All these studies require a large, comprehensive population-based twin registry, which will operate in Semmelweis University in Hungary soon.

 

 

 

 

 

 

Az ikervizsgálatok szerepet játszanak egy betegség vagy tulajdonság létrejöttéhez hozzájáruló genetikai és környezeti tényezők arányának meghatározásában, valamint a molekuláris genetikai és gén-környezet interakciós vizsgálatokban, továbbá fontos szerepük van annak felmérésében, hogy az életmódbeli, epigenetikai tényezők milyen befolyással bírnak a génjeink aktivitásának megváltoztatásában. Ahhoz, hogy megfelelő tudás birtokába jussunk bizonyos betegségek kialakulásával, pontosabb diagnosztikájával és perszonalizált kezelésével kapcsolatosan, elengedhetetlen több szempontból is tanulmányozni, vajon a gének és a környezet milyen módon befolyásolják azokat. A különbözőképpen megjelenő, radiológiai módszerekkel vizsgálható betegségeket, ún. képalkotó fenotípusokat egy genetikailag csaknem teljesen megegyező egypetéjű ikertestvérpárban is tudjuk vizsgálni, főként, ha csak egyikőjük szenved az illető betegségben, ami genomjuk, epigenomjuk vagy mikrobiomjuk különbözőségéből adódhat. Az ikervizsgálatok a tudomány számára egyedülálló mintát biztosítanak e tekintetben, s a populáció­szintű ikerregiszter kialakítása ilyen genetikai és epigenetikai ikerkutatásokra ad lehetőséget.

 

 

Közismert, hogy az egypetéjű ikrek genetikai állománya csaknem 100%-ban azonos, amit egy 2005-ben megjelent tudományos közlemény részben megcáfolt. Ugyanis miért van az, hogy egy egypetéjű ikerpár két tagja közül olykor csak az egyik iker betegszik meg szív-érrendszeri betegségben vagy daganatban? A legújabb ikervizsgálatok épp a különböző krónikus betegségben szenvedő egypetéjű ikreket célozzák meg, hiszen így azonosítható, hogy mely génszakasz hibája s milyen életmódbeli tényezők vezettek a betegség kialakulásához. Ilyen, ún. diszkordáns ikerpárokat – különösen, ha egy ritka betegségről van szó – olykor nemcsak ország-, hanem világszerte is nehéz találni, azonban egy olyan országban, mely rendelkezik populációalapú ikerregiszterrel, felkutatásuk akadályai elhárulnak, és így a tudomány számára rendkívüli lehetőséggel szolgálnak. Ezen populációalapú ikerregiszterek ritkák, a világ ikerregisztereinek mindössze kb. 5-10%-át képezik. E ritkaság oka, hogy felépítésükhöz szükség van az illető ország csaknem összes ikerpárjának adatfelvételére, ennek megvalósítása kevés országnak áll módjában. Több évnyi előkészítő munkát követően, 2019-ben megalakul a populációs alapú Magyar Ikerregiszter a Semmelweis Egyetemen, melynek során az ország összes ikerpárját (közel 98 500 felnőtt, és a tizennyolc év alattiakkal együtt 120 ezer körüli iker) megkeressük, és felkérjük őket az ikerregiszterbe való belépésre. Több tízezer fős ikerregiszter alakulhat meg hazánkban, mellyel a világ tíz legnagyobb ikerregiszterének egyike lehetünk. Ilyen diszkordáns egypetéjű ikrek vizsgálata csak akkor lehetséges, ha az ikerregiszternek elegendően nagy mintája van ahhoz, hogy ilyen ikerpárokat találjon. A fenotípusbeli különbségek vizsgálatára különböző képalkotó módszerek állnak rendelkezésre.

 

 

A képalkotó technológia az elmúlt évtizedben robbanásszerű fejlődést mutat, az újabb képalkotó módszerek megjelenése mellett a tradicionális technikák – főként az ultrahang, MR, illetve a CT, beleértve a nukleáris medicina tárházát is – kifinomultabbak, részletgazdagabbak lettek, melyek segítségével a radiológiai fenotípusok átfogóbb vizsgálatára van lehetőség. Hogyan segíthet ebben az ikerkutatás, vagy fordítva: hogyan segíthetnek a képalkotó módszerek az ikerkutatásban?

 

 

 

Az ionizáló sugárzással nem járó magnetikus rezonancia (MR) vizsgálat szintén közkedvelt képalkotó eljárás prospektív ikervizsgálatok esetén (3. a, b ábra). Számos területen, főleg a neuroradiológiában alkalmazzák ikrekben. Egyik MR kutatási terület a diffúziós tenzor képalkotás (DTI), melynek során azt vizsgálják, milyen mértékben befolyásolják a genetikai tényezők az agyi kapcsolatokat különböző agyi területeken. A DTI-rekonstrukcióból származó frakcionált anizotrópia tizenegy nagy fehérállományi pálya esetében nagyon örökletesnek bizonyult (Kochunov et al., 2015). Az MR-vizsgálat a T1-szekvencián magas jelintenzitást mutató zsírréteg megítélésére is kiválóan alkalmas. Ezt használták ki egy ausztrál ikervizsgálat során, ahol MR segítségével kapcsolatot mutattak ki az alacsony születési súly és az emelkedett zsigeri, illetve szubkután zsírszövet térfogata között, ami azt jelenti, hogy zsigeri és hasi elhízásra nagy kockázatot jelent az alacsony születési súly (Hng et al., 2006), mely összhangban van az epigenetikai tanulmányok eredményeivel, hiszen ez a várandósság alatti kóros programozódást tükrözi. A finn ikerkutatók obezitás-diszkordáns egypetéjű ikerpárokon végeznek vizsgálatokat. Olyan egypetéjű ikerpárokban, akik hosszú távon a fizikai aktivitásban különböznek, MR-vizsgálattal kimutatták, hogy a rendszeres fizikai aktivitás fontos tényezőnek számít a magas rizikójú zsírszövetek lerakódásának megelőzésére, még akkor is, ha a genetikai meghatározottság és a gyermekkori környezeti tényezők állnak a legtöbb antropometriai paraméter, például a testzsír, BMI, testsúly stb. hátterében (Leskinen et al., 2009). Ezt igazolja a fizikai aktivitás által kiváltott epigenetikai módosulás, a hisztonkód átrendeződés, valamint a PGC-1α génmetiláció dózisfüggő csökkenése. A magas rizikójú zsírszövet felszaporodásának adverz hatásait egy fizikai aktivitásra diszkordáns egypetéjű férfi ikerpáron mutatták be. Azonos foglalkozásuk mellett az aktívabb iker rendszeresen futott, míg inaktív ikertestvére ülő helyzetben töltötte legtöbb idejét, így MR-rel igazolva 74%-kal több viscerális, 150%-kal magasabb az intramuszkuláris és 63%-kal magasabb szubkután zsírszövettel rendelkezett, s szintén összefüggést találtak a máj és a pankreász zsírtartalma, illetve az inzulinrezisztencia között (Hannukainen et al., 2011).

 

 

A csaknem azonos genetikai állományú egypetéjű ikrek vizsgálata tehát – ha egyikőjük krónikus betegségben szenved – segíthet megérteni, hogy a gének és a környezet hogyan járulnak hozzá a komplex betegségek kialakulásához és radiológiai megjelenésükhöz. Az epigenetikai markereken felül a bélbaktérium-flóra összetétele is befolyásolhatja a betegségek kialakulását, akár esetleg radiológiai megjelenését is.

 

 

A belekben számos mikroba (mikrobiota) található (egy egészséges egyénben mikrobák trilliói fordulnak elő), melyek a metabolizmusban fontos szerepet játszanak. Összetételük és diverzitásuk egyénenként változó. A legelső bélmikrobiommal kapcsolatos ikervizsgálat kimutatta, hogy a bélrendszerben lévő baktériumflóra a családtagok között nagyon hasonló, s összefügg az obezitással is (Turnbaugh et al., 2009). A későbbi évek során kiderült, hogy az obezitáson kívül számos más környezeti tényező befolyásolja a mikrobiom összetételét (Cresci–Bawden, 2015), illetve különféle betegségek kialakulásával áll összefüggésben. Az angol ikerregiszter 416 ikerpártól több mint ezer székletmintát gyűjtött össze, s számos mikrobiális taxont azonosítottak, amelyek közül a legjobban öröklődő a Christensenellaceae volt, ezen baktérium mennyisége az alacsony BMI-vel rendelkező egyéneknél nagyobb számban fordult elő (Goodrich et al., 2014). A mikrobiommal kapcsolatos ikervizsgálatok száma nő, s egyre több betegséggel kapcsolatos összefüggést igazolnak krónikusbetegség-diszkordáns egypetéjű ikerpárok segítségével. A mikrobiom-diszkordáns egypetéjű ikrek különböző radiológiai megjelenése példát mutathat arra, hogy a különböző bélbaktérium-flórák milyen fenotípusbeli különbségeket okozhatnak, melyek később, a diagnosztika során új biomarkerként szolgálhatnak. A bélbaktériumok által okozott bélgyulladás PET-MR-rel is kimutatható, s a probiotikumok segítségével „helyreálló” bélbaktérium-flórának köszönhetően csökkenő gyulladás mértéke követhető a képalkotás segítségével.

 

 

A radiológiai és patológiai tudományok az utóbbi évtizedekben szorosan egymás mellett fejlődtek, s kialakult a radiogenomika (vagy képalkotó genomika), mely a radiológiai és szövettani jellemzők közötti összefüggéseket vizsgálja. A két tudományterület ötvözésével új irányok nyíltak a daganatkutatásokban: radiológiai megjelenésbeli jellemzőket, úgynevezett „radiológiai fenotípusokat” határozhatunk meg, melyek neminvazív módszerrel szerzett információt szolgáltathatnak a jövőben a génexpressziós mintázatokról, tumor esetén azok szubtípusairól és akár a molekuláris biológiai eltéréseiről is. A microarray elterjedésével a gén­aktivitásbeli változások követésére, kromoszóma-rendellenességek feltárására és epigenetikai vizsgálatok elvégzésére is lehetőség van. Ezen neminvazív, rutin klinikai vizsgálatok segítségével már előre jelezhető lehet a kemoterápiás szerekre várható válasz, mely az optimális kezelés kiválasztásában segítve a klinikusoknak is iránymutató lehet (Rutman–Kuo, 2009). A génexpressziós mintázatok (gének több tucatja vagy százai) megismerése jelentősen segítheti a daganatok diagnosztikus besorolását, a prognózisbecslést és a kezelésekre adott terápiás válasz megítélését.

 

 

A radiológia területén az utóbbi években egyre nagyobb teret hódít a számítógép segítette diagnózis (computer-aided diagnosis, CAD), mely napjainkban több modalitás esetén (például mammográfia, olykor tüdőgócok) már a rutin klinikai munka részévé vagy segítségévé vált. A CAD a radiológust segítve másodvéleményt ad, ezáltal a diagnózis pontosabb lehet. Egy számítógépes algoritmusról van szó, melynek első lépése a képfeldolgozás, ezt követően a képelemzés és az adatok osztályozása mesterséges neurális hálózatok használatával (Shiraishi et al., 2011). Az egyre növekvő adatmennyiség, a big data és mesterséges intelligencia kombinációjával a radiológia és a patológia igen nagy fejlődésen esik át, s a jövőben a mesterséges intelligencia egyre inkább a rutin klinikai munka részesévé fog válni. Ennek során a mesterséges neurális hálózatokat finomítják mélytanulással (deep learning), amely nemcsak az eltérést ismeri fel, hanem azt ki is emeli a radiológus számára. A mélytanulás tehát – egy radiológus rezidenshez hasonlóan – egyre több eltérés láttán, azokon „okulva” finomít az eltérések felismerésén, autodidakta módon. Első körben mellkasröntgen felvételeken használták ki a mesterséges intelligencia által nyújtott lehetőségeket, manapság már a mammográfia, CT- és MR-vizsgálatok során is alkalmazzák. Elsősorban az emberi szem által igen nehezen (vagy akár nem) felismerhető finom eltérések észrevételében igen hasznos. Egyszerűbb eltérések felismerésében és differenciálásában is alkalmazható, például tüdőtumor-keresés a szűrő mellkas CT-n (Jha–Topol, 2016). A mesterséges intelligenciát már használják emlőtumorszűrésre a mammográfián, illetve pulmonális embólia felismerésére mellkasi CT angiográfiás vizsgálatokon, valamint vizsgálatok folynak egyéb területen történő alkalmazásra. A mesterséges intelligencia az ikerkutatások során is hasznos segítséget nyújthat a képelemzésben.

 

 

Az utóbbi évtizedben az epigenetika területén végzett kutatások új meglátást hoztak a biológia csaknem minden területén, mint például a sejtdifferenciáció, -növekedés, -fejlődés és a sejtöregedés. A képalkotás és az epigenetika kombinációja képes arra, hogy megválaszolja azokat a kérdéseket, hogy a különböző képalkotó fenotípusok előrejelezhetik-e az epigenetikai módosításokat, amelyek összefüggnek a szervek (például az agy) szerkezetével, működésével és anyagcseréjével, ami befolyásolja a betegség kockázatát és progresszióját. A képalkotó módszerek epigenetikai markerekkel való integrálása, avagy a képalkotó epigenetika ígéretesnek tűnik, különösen a neuroradiológia terén. Az egyik legfontosabb előrelépés a képalkotó epigenetikai vizsgálatok terén a kromatint módosító enzimek működésének és funkcióinak kimutatása egyes agyi betegségek, például Alzheimer-kór esetén PET-MR-vizsgálattal (Wang et al., 2014). Az agyban kétféleképpen lehet epigenetikai tényezőket (mint például az epigenetikai enzimaktivitásból származó fehérje vagy nukleinsav módosulása) kimutatni: közvetlen vagy funkcionális/közvetett megfigyeléssel. A közvetlen megfigyelés részletes információt nyújt magáról az epigenetikai markerről: egy epigenetikai enzimműködés termékeként létrejövő fehérjéről vagy nukleinsavról (egy specifikus, szűk kötődésű ligand segítségével). A funkcionális megfigyelések alkalmazásával azonban vizualizálható lehet egy fehérje vagy enzim hatása az agyműködésre. Eddigi vizsgálatok bizonyították, hogy a kromatinmódosító enzimek kulcsfontosságú szerepet játszanak a transzkripciós változásokban. Több betegséget hoztak már ezzel összefüggésbe, köztük neurodegeneratív rendellenességeket, skizofréniát, depressziót és az addikciót is. Ezen új, cerebrális betegségekben kromatinmódosulásokat vizsgáló, PET-MR-rel kombinált módszer a közeljövőben akár szerepet játszhat a kezelésre adott válasz monitorozásában, illetve a gyógyszerfejlesztésekben is.

 

 

A genetikai, epigenetikai és a mikrobiom adatok képalkotással való kombinálása a sejtbiológiai, patológiai jellemzők radiológiai megjelenítését jelenti. A genetikai, környezeti és az epigenetikai tényezők, továbbá a mikrobiom összjátéka által „kialakuló” fenotípus leképezésére legalkalmasabb, nem sugárterhelő képalkotó módszer az ultrahang és az MR-vizsgálat. A klasszikus ikervizsgálaton túl a krónikus betegségben szenvedő diszkordáns egypetéjű ikrek megfelelő metodikai modellként segíthetnek megérteni ezen összefüggéseket. A radiogenomikai precíz elemzést a mesterséges intelligencia teheti hatékonyabbá.