Genetyczne zróżnicowanie pomiędzy dwoma niespokrewnionymi osobami jest oceniane na 0,5% sekwencji genomowego DNA, co składa się na miliony genetycznych wariantów w skali populacji człowieka. Znacząca ich liczba przypada na polimorfizmy pojedynczego nukleotydu. Indywidualna podatność na powstanie choroby jest w znaczącej mierze powiązana z genotypowym zróżnicowaniem populacji, w następstwie czego powstanie choroby determinują zmiany w uwarunkowanych genetycznie mechanizmach obrony i adaptacji do warunków środowiskowych.

Gen jest jednostką strukturalną genomowego DNA oraz jednostką funkcjonalną informacji genetycznej; przynależy mu specyficzna funkcja. Grupy współdziałających genów tworzą odpowiednie moduły funkcjonalne, zaś wszystkie geny tworzą wielkoskalową organizację komórki. Informacja zapisana w sekwencji genu jest przepisywana na nukleotydową sekwencję RNA, która z kolei podlega translacji na sekwencję aminokwasową kodowanego białka. Genom człowieka zawiera 20,000-25,000 genów przepisywanych na sekwencje około 100,000 cząsteczek mRNA, w następstwie alternatywnego składania pierwotnych transkryptów. Z kolei nowosyntetyzowane białka podlegają rozlicznym modyfikacjom potranslacyjnym, tworząc miliony lub setki milionów funkcjonalnie zróżnicowanych białek.

Komórka jest podstawową jednostką strukturalno-funkcjonalną organizmu. I chociaż każda komórka organizmu zawiera niezmienną (lub prawie niezmienną) oraz identyczną (lub prawie identyczną) informację genetyczną, dziedziczoną po rodzicach, to dzięki regulowanemu procesowi jej amplifikacji podlega ona zmiennemu i zazwyczaj krótkotrwałemu zdeponowaniu w bliżej nieokreślonej liczbie czynnościowo różnych cząsteczek. Tworzą one części składowe komórki (mikromolekuły: woda i elektrolity; makromolekuły: DNA, RNA i białka; metabolity), składane następnie w ścieżki sygnałowe i metaboliczne, tworzące strukturalno-funkcjonalne moduły, a ostatecznie wielopoziomową i wielkoskalową czynnościową organizację komórki. O unikatowości komórki decyduje dziedziczona informacja genetyczna. Jednak jej życie determinuje uniwersalność organizacji systemów biologicznych, które stają się wspólne dla wszystkich komórek wszystkich organizmów. Zmienność komórek jest zatem możliwa dzięki odmiennemu odczytywaniu informacji genetycznej, a stały dla danej jednostki genotyp nie określa w pełni, ani aktualnego, ani przyszłego fenotypu.

Fenotyp chorobowy może odzwierciedlać zmiany w samej informacji genetycznej organizmu, wynikające z dziedziczonych (germinalnych) lub nabytych (somatycznych) mutacji genomowego DNA. Dla rozwoju większości chorób kluczowe znaczenie mają także czynniki środowiskowe. Tymczasem niezależnie od przyczyny, u podłoża rozwoju fenotypu chorobowego znajdują się zmiany w adaptacyjnej regulacji ekspresji genów, co zazwyczaj prowadzi do zaburzeń w sieci oddziaływań pomiędzy makromolekułami i metabolitami komórkowymi. A ponieważ rozwój chorób wynika z zaburzenia właściwego uporządkowania molekularnego, pogłębione analizy dysfunkcji sygnalizacji komórkowej, w jej wielkoskalowej organizacji, mogą mieć kluczowe znaczenie dla poznania molekularnych podstaw rozwoju choroby.

Niemal wszystkie choroby są uwarunkowane genetycznie i mogą być zaliczone do jednej z trzech klas:

1) chorób chromosomalnych,

2) chorób jednogenowych lub

3) chorób złożonych (wieloczynnikowych).

Choroby chromosomalne towarzyszą zaburzeniom ekspresji bardzo licznych genów, choroby jednogenowe występują w związku ze zmianami ekspresji pojedynczego genu, natomiast choroby złożone są wypadkową wielu determinant genetycznych o niskiej penetracji, które pojedynczo nie są ani niezbędne, ani wystarczające do rozwoju choroby. Podczas gdy warianty genetyczne chorób chromosomalnych i jednogenowych są zazwyczaj czynnikiem determinującym powstanie choroby, to choroby złożone powinny być rozpatrywane raczej z pozycji genetycznych czynników ryzyka, modyfikowanych czynnikami środowiskowymi, które oddzielnie nie muszą decydować o rozwoju choroby. Zmiany genetyczne, leżące u podstaw rozwoju chorób wieloczynnikowych, występują stosunkowo często w populacji ogólnej i ze względu na niezależny dobór poszczególnych determinant mogą powodować znaczną heterogenność obrazu klinicznego choroby.

Każdy chory, poprzez osobniczo zmienne mechanizmy obronne i adaptacyjne, może indywidualnie reagować na bodźce chorobotwórcze, zwłaszcza na poziomie molekularnym. Jednak współczesna medycyna posługuje się głównie obrazowaniem anatomicznym choroby (na poziomie makro- i mikroskopowym) oraz diagnostycznymi testami biochemicznymi co powoduje, że rozpoznanie choroby jest możliwe dopiero wówczas gdy ujawnią się jej pierwsze objawy. Poszukiwanie chorób w ich wczesnym, bezobjawowym stadium rozwoju jest domeną populacyjnych badań przesiewowych. Niestety zazwyczaj są one kosztowne i trudne do organizacji w skali populacji. Powstanie nowej dziedziny medycyny, nazywanej od metodologii badań oraz sposobu obrazowania choroby, medycyną molekularną, będzie możliwe gdy do praktyki medycznej wdrożymy wysokowydajne metody badań molekularnych.

Współczesna medycyna umożliwia ocenę ryzyka populacyjnego choroby, które jednak należy zdecydowanie odróżniać od ryzyka jednostki. Szczególną postacią medycyny molekularnej powinna zatem być medycyna prewencyjna, przewidująca przyszłe zdarzenia chorobowe na podstawie analizy genetyczno-środowiskowego uwarunkowania ich rozwoju. Dzięki temu osoby zdrowe, narażone na rozwój choroby, mogłyby być poddane odpowiednio ukierunkowanemu nadzorowi lekarskiemu, co zwiększyłoby skuteczność badań przesiewowych, a tym samym obniżyło koszty opieki zdrowotnej. Jednocześnie prognostyczne markery choroby powinny ułatwiać podejmowanie odpowiednich decyzji leczniczych, co mogłoby zwiększyć skuteczność działań terapeutycznych, obniżyć koszty leczenia oraz zmniejszyć towarzyszące leczeniu skutki uboczne. Leczenie „empiryczne”, wynikające z „osobistego doświadczenia lekarza”, którego nie można niedoceniać, zostałoby wzmocnione leczeniem wynikającym z molekularnej taksonomii choroby. Personalizacja leczenia powinna dostosowywać leczenie do molekularnego podtypu choroby oraz uwzględniać osobniczą zmienność metabolizmu leku (farmakogenomika). Inaczej mówiąc, odpowiedni lek dla odpowiedniego chorego, w odpowiednim czasie i odpowiedniej dawce. Tym samym medycyna molekularna, poprzez indywidualizację procesu diagnostyczno-leczniczego, stworzy szanse na nową, bardziej wydajną opiekę zdrowotną, tak w odniesieniu do pojedynczego chorego, jak i w odniesieniu do populacji na poziomie systemu ochrony zdrowia.

Medycyna molekularna powinna także umożliwić poszukiwanie molekularnych podstaw rozwoju chorób. Choroby złożone, jednorodne z klinicznego (anatomicznego i biochemicznego) punktu widzenia, prawdopodobnie wykazują różnice na poziomie molekularnym. Jak inaczej można wytłumaczyć tak duże zróżnicowanie przebiegu chorób oraz ich odpowiedzi na leczenie? Można zatem przypuszczać, że istnieją molekularne podtypy choroby, których identyfikacja będzie możliwa wraz z rozwojem medycyny molekularnej. Ale molekularna klasyfikacja chorób tylko wówczas będzie miała praktyczne znaczenie, gdy doprowadzi do optymalizacji zapobiegania, rozpoznania i leczenia chorób. Poszukiwanie podłoża genetycznego choroby jest stosunkowo proste w przypadku chorób jednogenowych. Metody genetyczno-molekularne, które umożliwiają diagnostykę podtypów molekularnych chorób złożonych oraz indywidualizację ich leczenia, zaczynają już także znajdować zastosowanie m.in. w onkologii.

Genetyczno-molekularne podstawy rozwoju większości chorób nie są znane. Ich poznanie wymaga złożonych metod diagnostycznych, badających uwarunkowania genetyczne w skali genomu. Rozwój nanotechnologii badawczych, takich jak nowe metody sekwencjonowania DNA oraz badania profili ekspresji z użyciem mikromacierzy (transkryptomika) i spektrometrii mas (proteomika), może decydować o rozwoju medycyny molekularnej.

Opublikowanie 6 lat temu dwóch wersji sekwencji genomu ludzkiego zapoczątkowało nowy rozdział w badaniach biomedycznych. Teraz oczekujemy na powstanie technologii sekwencjonowania DNA, która umożliwi analizy sekwencji genomu człowieka w krótkim czasie i przy stosunkowo niskich kosztach. Niebywały postęp technologiczny wskazuje, iż stanie się ona dostępna już w niedługim czasie, znajdując powszechne zastosowanie w diagnostyce medycznej, w tym w badaniach populacyjnych, oceniających ryzyko rozwoju choroby. Ale nawet wówczas przewidywanie rozwoju choroby będzie możliwe raczej w przypadku chorób, których rozwój wynika z działania silnych modyfikatorów ryzyka, takich jak sprawcze mutacje w „genach choroby”, a nie z pomiaru zmienności genetycznej populacji na poziomie polimorfizmów „genów podatności”. Metody analizy molekularnej powinny dodatkowo poszukiwać zmian w profilach ekspresji genów, towarzyszących zmianom sekwencji genomowego DNA.

Fenotyp komórek i tkanek jest determinowany przez adaptacyjne zmiany ekspresji genów. Ekspresja genów jest zjawiskiem dynamicznym, podlegającym stałym lub chwilowym zmianom i dlatego odzwierciedla trwałe lub przejściowe zmiany stanu biologicznego komórek, tkanek, narządów i organizmów. Tworzenie profili ekspresji genów oraz badanie zależności międzygenowych w skali całego genomu umożliwił rozwój porównawczej hybrydyzacji z zastosowaniem mikromacierzy o wysokiej gęstości. Jednak ocena bardzo wielu zmiennych w oparciu o dane uzyskane z analiz z użyciem mikromacierzy przysparza licznych trudności metodologicznych i statystycznych. Jest to metoda czuła lecz mało powtarzalna, co stwarza poważne problemy interpretacyjne w poszukiwaniu sygnatur ekspresyjnych genów. I dlatego, chociaż badania profili ekspresji genów mogą identyfikować zjawiska patofizjologiczne, podstawowa technologia transkryptomiki, jaką jest mikromacierz DNA, wymaga istotnego dopracowania zanim badania z jej użyciem staną się ważnym elementem diagnostyki molekularnej chorób.

Profile ekspresji genów nie zawsze odpowiadają białkowym profilom komórki, a funkcje białka są zazwyczaj powiązane z jego modyfikacjami potranslacyjnymi oraz lokalizacją śródkomórkową. Dlatego uzupełnieniem badań profili ekspresji genów na poziomie mRNA powinny być badania składu białkowego. Proteomika jest rozwinięciem tradycyjnych metod analizy biochemicznej, a dzięki nowoczesnym technologiom badawczym, takim jak spektrometria mas, w połączeniu z rozbudowanymi metodami analizy matematycznej umożliwia pomiary w skali dotąd nieosiągalnej. Jednak spektrometry mas umożliwiają wykrywanie jedynie najczęstszych białek komórkowego proteomu co powoduje, że zwykle identyfikujemy białka strukturalne, a nie białka regulatorowe. Ponadto każdy eksperyment proteomiczny generuje ogromne ilości informacji, których analiza jest pracochłonna i silnie zależna od sposobu analizy matematycznej danych. I dlatego spektrometria mas wymaga również usprawnień, tak na poziomie samej technologii pomiarowej, jak i na poziomie analizy biostatystycznej wyników.

Medycyna molekularna powinna zapewniać nadzór genetyczno-molekularny w poszukiwaniu zwiększonego ryzyka powstania choroby, ale także identyfikować środowiskowe czynniki pro-chorobowe. W odniesieniu do chorób wieloczynnikowych jest to zadanie trudne, tak z punktu widzenia metod diagnostycznych, jak i organizacji przyszłych badań. Nadal bowiem nie powstały procedury i metody badawcze, określające wpływ czynników środowiskowych na organizm człowieka w skali ludzkiego życia. Dodatkowo, na poziomie wielopoziomowej i wielkoskalowej organizacji systemów biologicznych komórki, bezpośrednie badania funkcjonalne nie są jeszcze możliwe. Dlatego też analizy molekularno-genetyczne powinny być wspomagane komputerową symulacją, która umożliwia powiązanie w systemy biologiczne wyników badań wielkoskalowych w połączeniu z już nagromadzoną biomedyczną wiedzą ekspercką.

Pogłębione informacje na temat rozwoju chorób możemy uzyskiwać korzystając z metodologii badań biologii obliczeniowej, właściwej bioinformatyce. Bioinformatyka powstała na styku biologii, matematyki i informatyki, a do jej podstawowych zadań należy zbieranie, katalogowanie i porównywanie informacji i sekwencji biologicznych, zawartych w genomach, poszczególnych genach i produktach ich ekspresji oraz wyprowadzanie wniosków na temat molekularnego podłoża funkcjonowania danego genu czy białka. Z porównania z innymi, już opisanymi sekwencjami, możliwe staje się opisanie pochodzenia ewolucyjnego, funkcji określonej cząsteczki czy sposobów jej regulacji, ale także tworzenie i symulowanie in silico molekularnych interakcji w sieci wzajemnych powiązań genomu i proteomu komórkowego. Jednak ze względu na znaczny stopień złożoności sieci, leżących u podłoża choćby najprostszych zmian chorobowych, ich badania w skali globalnej znajdują się dopiero na etapie wstępnego opracowywania możliwości metodologicznych i organizacyjnych.

Niezbędnym warunkiem powstania medycyny molekularnej jest stworzenie właściwych zbiorów danych, na podstawie analiz kliniczno-molekularnych, kliniczno-genetycznych i z zakresu farmakogenomiki, w odniesieniu do reprezentatywnych grup populacyjnych osób, chorujących na tę samą chorobę i będących w tym samym stadium choroby. Ponieważ jedynie lekarz ma formalne i etyczne prawo bezpośredniego, zawodowego kontaktu z chorym człowiekiem, udział lekarzy w doborze odpowiednio zdefiniowanych grup chorych jest niezastąpiony, choć oczywiście nie jest wystarczający. Medycyna molekularna, jak żadna dotąd dyscyplina medyczna, wymagać będzie wprowadzenia złożonych, wysoce wydajnych metod analizy obrazowania molekularnego w skali genomu, ale opisanie molekularnych fenotypów chorobowych będzie wymagać współpracy lekarza i biologa, którzy dostarczą danych klinicznych i eksperymentalnych oraz przedstawicieli dyscyplin, operujących narzędziami biologii obliczeniowej. Ich współpraca powinna stworzyć podwaliny medycyny molekularnej w oparciu o genomikę integracyjną.

Medycyna molekularna w większym niż dotychczas stopniu powinna korzystać z genetycznych i molekularnych biomarkerów, które pozwalają przewidzieć powstanie choroby. Powinna także tworzyć nowe technologie badawcze, umożliwiające poszukiwanie molekularnych podstaw rozwoju choroby, czego bezpośrednią konsekwencją byłoby wprowadzenie do praktyki lekarskiej nowych, bardziej precyzyjnych metod molekularnej klasyfikacji chorób. Należy oczekiwać optymalizacji opieki zdrowotnej, a leczenie choroby powinno wynikać z jej molekularnej klasyfikacji, uwzględniając jednocześnie indywidualny metabolizm leku. Są to założenie prowadzące do indywidualizacji zapobiegania, rozpoznawania i leczenia chorób.

Jednakże tak wyznaczone cele są niestety trudne do osiągnięcia, bowiem nadal nie wiemy, jak przekładać statyczny obraz ekspresji genów, właściwy większości wielkoskalowych platform badawczych, na dynamicznie współdziałające sieci komórkowe, które reprezentują interakcje makromolekuł, małych cząsteczek i metabolitów. Statyczny opis „części składowych” komórki pozwala na jedynie ograniczone wnioskowanie o mechanizmach kontrolujących procesy biologiczne w komórce. Dlatego ważnym zadaniem, przed którym stoi medycyna molekularna jest nabycie umiejętności współpracy pomiędzy przedstawicielami różnych dyscyplin naukowych, tworzących genomikę integracyjną, dzięki której powstaną nowe narzędzia analityczne, wykorzystujące symulacje komputerowe. Celem genomiki integracyjnej byłaby zatem analiza chorobowych zaburzeń w sieci systemów biologicznych komórki, na podstawie oceny zmian, zachodzących na poziomie sekwencji i ekspresji genów, badanych w skali bliskiej genomu.

Poważne trudności z wprowadzeniem medycyny molekularnej do praktyki klinicznej wynikają m.in. z braku mechanizmów finansowania, regulacji prawnych i algorytmów stosowania oraz braku personelu medycznego o odpowiednich kwalifikacjach. Jednak najważniejszą przeszkodą w rozwoju tej dziedziny medycyny jest jej niezbadana dotąd użyteczność kliniczna. Lekarze tylko wówczas będą zainteresowani rozwojem medycyny molekularnej gdy uzyskają dowody klinicznej przydatności metod molekularnych. Z kolei, bez udziału lekarzy nie będzie możliwa weryfikacja celowości praktycznego stosowania metod molekularnych. I dlatego potrzebne jest wprowadzenie w szerszym zakresie nauczania biologii molekularnej i obliczeniowej do uczelni medycznych i kształcenia podyplomowego lekarzy.