Биотех и медицина – одни из самых модных, востребованных и интересных направлений в высокотехнологичном бизнесе. Тысячи амбициозных стартапов привлекают миллиарды инвестиций и представляют продукты, которым место скорее на страницах фантастических романов. Хирурги, которые видят ваше тело насквозь, неразличимые глазом датчики, анализирующие информацию о вашем самочувствии, кибернетические конечности для инвалидов, лазерные скальпели, генная терапия, роботы-сиделки и многое другое. Как все это меняет мир медицины и что нас ждет в ближайшем будущем?
Диагностика
Основа лечения - правильный диагноз, поэтому почти треть современных компаний в биотехе так или иначе связаны с мониторингом физического состояния человека. Наиболее перспективное направление развития - внедрение в организм микродатчиков. Это могут быть небольшие таблетки вроде создаваемых FitBit, или биометрические татуировки, такие как VivaLNK, или RFID - микрочипы, имплантируемые под кожу. Подобные датчики не только в режиме реального времени измеряют все важные параметры здоровья, но и создают полноценную медицинскую карту в облаке, которую может использовать лечащий врач.
Проекты вроде Qualcomm Tricorder X Prize или Viatom Check Me, измеряющие пульс, температуру тела, насыщение ее кислородом, систолическое и артериальное давление, физическую активность и сон, открывают новую страницу в медицинской помощи. Вместо текущих симптомов врач видит динамику на протяжении месяцев. Сами пациенты получают возможность оперативнее замечать негативные изменения в своем состоянии, а медицинские и страховые компании использовать больше данных для оптимизации расходов на лечение и страхование.
Замена и модификация органов
Кростехнологичные проекты обеспечивают прорывы в большинстве медицинских направлений. Например, сочетание 3D-сканирования, 3D-печати, продвинутого софта и новых полимеров произвели революцию в области стоматологии. Если раньше люди вынуждены были выпрямлять зубы и исправлять прикус посредством болезненных, долгих операций, вроде протезирования или брекетов, то сейчас на рынке появилась технология «элайнеров», индивидуальной программы использования прозрачных фиксаторов с минимум неудобств. Еще пять лет назад, когда я только основал компанию StarSmile, об элайнерах в России знали единицы, сегодня – эта технология прочно входит в нашу действительность, особенно с появлением большего количества биосовместимых материалов. В мире уже появились специализированные компании, типа немецкой Next Dent, сосредоточенных только на разработке новых материалов. И их усилия уже приносят свои плоды: сегодня доступны материалы, из которых можно печатать пластиковые временные коронки или целые съемные протезы в нескольких цветах.
Медицинская 3D-печать и биотехнологическая промышленность заново проектируют весь мир фармацевтики и донорских органов. 2016 был годом успешной 3D-печати печени, артерии и кости. Пересаженные органы показали успешное приживление: поскольку новые ткани основаны на генетической карте самого пациента, то риск отторжения при удачной пересадке минимален. Более того, новые органы сами развивали в себе сеть сосудов и капилляров. В этом году Harvard’s Wyss Institute вплотную приблизился к созданию искусственной почки. И уже в ближайшем будущем врачи смогут напечатать замену для любого органа в нашем теле. Аналогичная ситуация в фармацевтике – 3D-принтеры будут готовить для пациентов дозы лекарств, распечатанных на месте по модели, подготовленной индивидуально лечащим врачом.
Параллельно с печатью живых органов развивается индустрия создания киборгов. Сейчас автоматизированные протезы имеют замещающий характер: миллионы пациентов носят имплантированные дефибрилляторы или кардиостимуляторы, роботизированные конечности, подключенные к нервной сети. Но потенциал развития данного направления гораздо выше, чем простое замещение. Достижения в области будущей медицинской техники будут направлены не столько на ремонт физических недостатков, сколько на создание органов более совершенных, чем спроектированные эволюцией. Зрение во всех областях спектра, усиленные мышцы, сердце, которое никогда не перестанет биться, легкие, позволяющие дышать под водой или в удушливом дыму и т. д. Но пока такие направления остаются чисто теоретическими, работают гораздо более простые, но тем не менее эффективные проекты вроде е-NABLING. Это программа по свободному обмену 3D-моделями доступных протезов плюс инструкции по их печати и эксплуатации.
Исследования
Следующее важнейшее направление биотеха - модернизация процесса R&D. В этой области отчетливо заметны два крупнейших направления: изучение генома человека и моделирование физических процессов с помощью специализированных программ. В мире уже испытывается целая серия микрочипов, которые могут быть использованы в качестве моделей человеческих клеток, органов или целых физиологических систем. Преимущества такой инновации неоспоримы: вместо долгих и опасных исследований компании могут программировать поведение и реакцию человека на тот или иной раздражитель в контексте биотеха на разрабатываемые лекарства. Эта технология спровоцирует революцию в области клинических испытаний и полностью заменит тестирование на животных и людях.
Проект расшифровки генома человека начался около 30 лет назад, но настоящие прорывы были связаны с ростом вычислительной производительности компьютеров. Сейчас эта работа близка к завершению, определено большинство функций генов в ДНК-цепочке человека. На практике это означает начало эры персонализированной медицины, когда каждый пациент сможет получить индивидуальную терапию с настраиваемыми лекарствами и дозировками. Уже сейчас существуют сотни основанных на фактических данных приложений для персональной геномики. Метод быстрого генетического секвенирования был впервые применен командой Стивена Кингсмора для спасения жизни маленького мальчика в 2013 году. Тогда это было невероятным, крайне затратным и уникальным по своей эффективности случаем. Уже в ближайшем будущем это станет обыденной медицинской практикой.
Операции будущего и новое образование
В медицине еще долго будет необходимо присутствие живых врачей. Но благодаря технологиям у них в распоряжении будет нечто большее, чем два обычных глаза: на помощь придет дополненная реальность. Уже сейчас эта, на первый взгляд развлекательная, технология начинает проникать в медицинскую сферу. Цифровые контактные линзы от Google корректируют курс лечения диабета через измерение уровня глюкозы в слезных протоках. Разработка Microsoft Hololens (использование AR во время операций) уже проходит тестирование в Германии. Получаемые через сканирование данные проецируются на очки хирургу, так что доктор буквально может смотреть сквозь тело пациента, видеть кровеносные сосуды перед началом разреза, определять плотность и структуру ткани. Как дополнительное улучшение можно использовать интеллектуальные инструменты: например, хирургический нож iKnife от Imperial College работает как световой меч джедаев. Электрический ток позволяет делать надрезы с минимальной потерей крови, а испаренный дым анализируется масспектрометром в режиме реального времени, давая хирургу полную картину по составу тканей организма.
Еще одна сфера применения AR – программы медицинского обучения. В 2016 году доктор Шафи Ахмед провела первую операцию с использованием камер виртуальной реальности в больнице Royal London. Каждый желающий мог наблюдать за ней в режиме реального времени через две камеры, дающие обзор в 360 градусов. Технологии могут совершенно изменить форматы профильного образования: молодые медики будут изучать анатомию на виртуальных таблицах рассечения, а не на человеческих трупах, а сотни учебных томов будут преобразованы в виртуальные 3D-решения и модели с использованием дополненной реальности. Именно в этом направлении сейчас работают такие компании, как Anatomage, ImageVis3D и 4DAnatomy: интерактивный софт, построенный на дополненной реальности и моделировании ресурсов.
Забота о пациентах и медицинский суперкомпьютер
Роботы постепенно входят в мир заботы о пациентах. Работа врача – поставить диагноз, назначить лечение или провести операцию, а круглосуточный уход можно переложить на плечи разумных автоматов. Сейчас на рынке развиваются сразу несколько подобных проектов. Робот TUG – мобильное устройство, способное нести несколько стоек, тележек или отсеков, содержащих препараты, лабораторные образцы или другие чувствительные материалы. RIBA и Robear используются в работе с пациентами, которые нуждаются в помощи: оба могут поднимать и перемещать пациентов в постели, помочь пересесть в инвалидную коляску, встать или приподняться, чтобы предотвратить пролежни, взять ряд анализов и передать их врачи.
Помимо механических помощников в медицине активно используются методики машинного обучения. Разрабатываемый IBM Watson – искусственный интеллект в области медицины, будет помогать врачам в анализе больших данных, мониторинге как отдельных пациентов, так и целых социальных групп, принятии важных клинических и профилактических решений. Watson имеет возможность прочитать 40 млн. документов в течение 15 секунд и предложить наиболее подходящие методы лечения. Также суперкомпьютеры привлекаются к разработке лекарственных средств для моделирования их влияния на различные болезни, сокращения побочных эффектов и поиска оптимальных химических формул. Еще одно направление – статистика и администрирование. Google Deepmind Health использует данные медицинской документации, чтобы обеспечить наиболее востребованные, эффективные и быстрые услуги в области здравоохранения.
В качестве резюме
Нельзя не упомянуть и о рисках, которые несут в себе прогрессивные технологии. Например, развитие видеоигр спровоцировало синдром зависимости и даже посттравматические расстройства, шлемы виртуальной реальности вызывают привыкание и проблемы со зрением и координацией. Медицинский 3D-принтер наверняка сможет распечатывать не только полезные витамины, но и героин. А лекарства на основе генома в руках террористов – потенциальная угроза появления биологического оружия. Как и любой аспект прогресса, развитие медицины несет в себе множество угроз, и какая чаша весов в итоге перевесит, предсказать невозможно.
Мы все мечтали о телепатии, читая фантастические книги, и неизвестно, будут ли наши мечты когда-либо реализованы. Но уже сейчас есть технологии, которые позволяют тяжело больным людям, использовать силу мысли там, где они не могут справиться в силу своей немощи. Например, компания Emotiv разработала EPOC Neuroheadset - систему, позволяющую человеку управлять компьютером, отдавая ему мысленные команды. Это устройство имеет большой потенциал для создания новых возможностей для пациентов, которые вследствие болезни не могут двигаться. Оно может позволить им управлять электронным инвалидным креслом, виртуальной клавиатурой и делать много что еще.
Компании Philips и Accenture начали разработку устройства для считывания электроэнцефалограммы (ЭЭГ) для того, что люди с ограниченной подвижностью с помощью мысленных команд могли манипулировать вещами, до которых невозможно дотянуться. Такая возможность очень нужна парализованным людям, которые не могут владеть своими руками. В частности, устройство должно помогать делать простые вещи: включать свет и телевизор, может даже управлять курсором мышки. Какие возможности ожидают эти технологии, можно только предполагать, а предполагать можно многое.
Очевидно, что общество движется вперёд семимильными шагами, что способствует развитию медицинских технологий. Если мы попытаемся заглянуть в ближайшее будущее, перед нами предстанет мир новых и продвинутых технологий, которые ещё вчера сложно было даже вообразить.
1. Конструктор ДНК
ДНК служит идеальным носителем, который способен содержать огромное количество информации. Структура ДНК постоянно развивается и изменяется, а её молекулы часто называют строительными блоками живых организмов.
Для исследователей Гарвардского университета эта фраза имеет гораздо больше смысла, чем для простого человека - учёные действительно используют ДНК в качестве строительных блоков для разработки различных структур и систем.
Используя этот метод, учёные закодировали в одной молекуле ДНК 284 страницы книги. Они смогли записать эту информацию благодаря переводу данных сначала в двоичный код, а затем переведя цифры от единицы до нуля в четверичную систему счисления ДНК - A, T, G и C. В результате оказалось, что эти данные могут быть легко считаны, хотя этот процесс пока занимает довольно много времени. Но это пока.
2. Приборы поддержания жизнедеятельности
Такие приборы, как кардиостимуляторы, регулирующие ритм сердца, использует около 700 000 человек в мире. Минусом является то, что они могут служить всего около семи лет, а после этого оборудование подлежит замене. Это не просто сложная, но и дорогостоящая хирургическая процедура. Учёные из университета штата Мичиган решили эту проблему раз и навсегда - они разработали совершенно новый кардиостимулятор, работающий за счёт сокращения сердечной мышцы.
После проведения экспериментов и тестов доктор Амин Карами заявил, что все они дали положительные результаты. По его словам, следующим этапом в испытании нового прибора должна стать имплантация аппарата в живое человеческое сердце. Если технология сработает и покажет положительный результат, она сможет произвести революцию не только в медицинской сфере, но и в промышленной. Этот механизм настолько чувствителен, что может производить электроэнергию при любой частоте пульса.
3. Лечение церебральных нарушений
Мозг - чувствительный орган, повреждение которого может иметь долгосрочные последствия. Для людей с черепно-мозговой травмой комплексная реабилитация, пожалуй - единственная надежда вернуться к нормальной жизни. Но теперь есть альтернативный метод.
Ваш язык связан с ЦНС посредством тысячи нервных окончаний, некоторые из которых ведут прямо к нейронам мозга. Портативные нейростимуляторы (PoNS) стимулируют определённые нервные области языка и посредством этого аппарата мозг получает сигналы для восстановления повреждённых зон. Пациенты, пользующиеся системой, показали значительное улучшение буквально через неделю.
Кроме черепно-мозговых травм система PoNS может быть использована для лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, алкоголизм, инсульт, рассеянный склероз и пр.
4. Напечатанные кости
При помощи 3D-принтера исследователи из университета штата Вашингтон создали искусственный материал, обладающий свойствами кости. Эта «модель» может быть пересажена в человеческое тело, пока срастается настоящая кость, а затем она расщепляется и выводится, не причиняя вреда организму.
Главной проблемой был выбор материала для создания кости. Спустя время учёные создали формулу, в которую вошёл цинк, кремний, фосфат и кальций. Смесь опробовали и пришли к выводу, что с добавлением стволовых клеток она будет работать гораздо эффективней.
Для исследования использовали принтер ProMetal 3D. Работает он почти так же, как обычный принтер. В него нужно просто засыпать смесь и распечатать нужную кость.
Основным преимуществом этой технологии является то, что теперь, при правильном сочетании составляющих биологического материала, можно получить любые ткани, даже настоящие органы, с помощью принтера.
5. Пыльца как способ вакцинации
Цветочная пыльца является одним из наиболее распространенных аллергенов в мире. Её структура настолько жёсткая и устойчивая к влаге, что попадая в организм, она без труда пробирается в пищеварительную систему человека. Когда-то же самое происходит при пероральной вакцинации, в организме усваивается далеко не всё количество введённого вещества, так как на него воздействуют соки пищеварительного тракта.
Учёные из Техасского университета решили изучить свойства цветочной пыльцы и разработать вакцину с её использованием. Глава исследования Харвиндер Гилл преодолел основной недостаток использования пыльцы - он удалил с её поверхности все аллергены. Эта технология может оставить далеко позади инъекционный метод вакцинации и стать поворотным событием в медицине.
6. Электронное нижнее бельё
Несмотря на то, что это звучит забавно, нижнее бельё может спасти тысячи жизней. У пациентов, лежащих в коме или без сознания на протяжении нескольких недель и месяцев, могут появиться пролежни - омертвелые ткани, возникающие в результате постоянного давления. Пролежни даже могут иметь смертельные последствия - примерно 60 000 человек ежегодно умирают от инфекций из-за них.
Канадский учёный Шон Дюкелоу смог разработать электронные трусы под названием «Smart-E-Pants». В белье находятся специальные устройства, которые каждые десять минут посылают электрический импульс, заставляя мышцы сокращаться. Эффект от приспособления такой же, как если бы пациент самостоятельно упражнялся. Посредством воздействия на мышцы, электронное нижнее бельё может навсегда решить эту проблему.
7. Клетки мозга из мочи
Китайские биологи из Института Биомедицины и Здоровья в Гуанчжоу, используя человеческую урину, смогли создать стволовые клетки. Основным преимуществом метода является то, что клетки, созданные из мочи, не провоцируют раковых заболеваний, в то время, как эмбриональные стволовые клетки, применяемые в медицине сегодня, к сожалению, имеют такой побочный эффект - после их пересадки нередко начинают развиваться опухоли. Трансплантация клеток на основе урины не приводила ни к каким нежелательным новообразованиям.
Исследователи считают, что этот метод более доступен и практичен для создания стволовых клеток. Нейроны, полученные из мочи, могут использоваться для лечения дегенеративных заболеваний нервной системы.
8. Гель, имитирующий живые клетки
Множество медицинских исследований посвящены попыткам воссоздания человеческих тканей на основе различных материалов. В будущем, при успешном развитии этой технологии, можно обеспечить здоровую жизнь всему человечеству: если, например, один из органов перестал функционировать, его можно вырастить в лабораторных условиях и заменить.
Сейчас учёные разрабатывают гель, имитирующий деятельность живых клеток. Материал формируется в пучки шириной 7,5 миллиардных частей метра, для сравнения, это примерно в четыре раза шире двойной спирали ДНК. Как известно, клетки имеют собственный тип скелета - цитоскелет, состоящий из белков. Синтетический гель заменяет повреждённые ткани в каркасе клетки, останавливая распространения инфекций и бактерий.
9. Магнитная левитация
Ткани искусственного лёгкого были выращены благодаря магнитной левитации. Несмотря на то, что это звучит фантастически, группа учёных под руководством Глуко Соуза в 2010-м году наглядно продемонстрировала, что это возможно. Исследователи поставили цель в лабораторных условиях создать бронхиолу. Для эксперимента использовались крохотные магниты, вводившиеся в клетки.
В результате были получены самые реалистичные синтетически-выращенные ткани лёгкого. Ткань, выращенная благодаря магнитной левитации, может стать прорывом в медицине. Сейчас работа над совершенствованием технологии продолжается.
10. Гель от кровотечений
Небольшая группа учёных потрясла мир науки инновационным открытием: Джо Ландолино и Исаак Миллер смогли создать гель, останавливающий кровотечения любой сложности. Гель работает, герметично закупоривая рану.
Гель от кровотечений создаёт легко усваиваемую синтетическую ткань, которая помогает клеткам срастись. В одном из экспериментов учёные использовали кусок свинины с подведённой трубкой с кровью. Они разрезали мясо, а когда из «раны» потекла жидкость, нанесли на разрез гель, и «кровотечение» прекратилось в течение нескольких секунд. В следующем тесте Ландолино применял гель на сонной артерии крысы. Эксперимент прошёл так же успешно.
Если эту разработку в скором будущем начнут использовать в хирургической медицине, она могла бы сохранить жизнь многим людям.
" попытались разобраться, каким из этих прогнозов можно доверять, а каким - нет.
Предисловие
Недавно у нас была лекция по анатомии, где наш многоуважаемый профессор Е. С. Околокулак рассказывал о центральной нервной системе - конечный мозг и т.д. Неожиданно для нас он заявил, что подготовил мультфильм , и мы переглянулись, мол, зачем нам, таким серьезным людям, мультфильмы. Это было, конечно же, шуткой, - а имел он в виду новейшую программу, которая была недавно создана совместно медиками и программистами. Он говорил о 3D-презентации структур мозга, как всех вместе, так и по отдельности. Но я не был сильно удивлен этим, учитывая то, что я часами просматриваю фантастические фильмы и тонны видео с Ютуба на данную тематику, и то, что с таким восторгам показывал нам наш профессор, мне казалось само собой разумеющимся. Конечно, на самом деле, на разработку такой программы ушли годы, и программа эта никому не передается, а хранится чуть ли ни в сейфе профессора. Но не в этом суть.
Профессор плавным образом перешел к теме будущего медицины , и высказал свое мнение, коснувшись, правда, только одной сферы. Он сказал, что в скором времени мы будем крутить 3D-модель мозга в воздухе, совсем как в фантастических фильмах , и в этом нет никакого сомнения. Такой солидный и серьезный профессор говорил про такие вещи, и мы не могли в этом ни на секунду усомниться. Тем более что мы живем в такое время. Потом он сказал, что несколько лет назад 3D-сканирование мозга было фантастикой, а теперь многие врачи в практике спокойно могут послойно смотреть структуры мозга.
3D-проецирование с возможностью управления жестами
Это первое, что я хочу описать, так как наш профессор именно этот прогноз и выказал в своей лекции. На самом деле, на практике уже сегодня 3D-сканирование применяется, и на сегодняшний день мы можем просканировать тот же мозг, а потом крутить его, увеличивать, послойно "резать", и просматривать, какая патология в той или иной зоне. Но! Все это мы делаем посредством мышки, клавиатуры, то есть через экран монитора. А что, если в ближайшем будущем мы сможем проецировать 3D-модель мозга в реальном времени в воздух, и крутить его в разные стороны, увеличивать, "резать" его прямо в воздухе теми же жестами? Да, это будет возможно в будущем! Доказательством этому является то, что ученые уже начали работать в этом направлении, и на сегодняшний день мы можем управлять жестами компьютером, но все так же на экране, то есть, проецируя картину на поверхность (по методу "Кинекта "). В ближайшее время, впрочем, такие сенсоры усовершенствуются, и мы сможем двигать моделями прямо в воздухе, совсем как Тони Старк из фильма "Железный Человек". На достижение этой цели уйдет, я думаю, примерно 10-15 лет, не больше. Это не сбудется лишь в том случае, если сами врачи посчитают это неудобным.
Одежда-сенсор
Про это даже не стоит дискутировать, потому что уже сейчас в Индии придумали такую одежду, которая регистрирует разные показатели организма. Её будут покупать те, кто нуждается в сканировании функций своего организма в определенные промежутки времени, и при этом не хочет тратить время на обследование в больницах. Бесценна будет она и в спорте.
В режиме реального времени будут отображаться все функции организма, начиная от пульса, артериального давления и заканчивая общим тонусом мышц. Информация будет поступать на смартфон , ну а оттуда синхронизироваться с компьютером дома, или на устройствах врачей. Так будет уже через 10-15 лет.
3D-принтеры органов человека
Конечно же, я не мог про это не упомянуть. Нашумевшая тема именно в наш переходной период времени - 3D-принтеры . Уже не в диковинку 3D-принтеры , которые производят фигурки и детальки из пластика, из которых можно собрать даже оружие. Теперь ученые из нескольких стран занимаются тем, что выращивают живые органы путем распечатки их на 3D-биопринтерах. Они "распечатали" почку, но оказалось, что почка эта функционирует только 4 месяца - и все. На данном этапе эта проблема решается. Решат её через 5-10 лет.
Успехи в нейротехнологии
Именно это направление заинтересовало меня больше всех, потому что мозг и вообще нервная система - это плеяда таинственных структур, которые не так сильно изучены человеком. У одного, к примеру, вырезали полмозга и даже больше, а он вполне себе обычный человек, со среднестатистическим умом; другому вырезали малюсенький кусочек некротизированной ткани - и он стал овощем. На этом поприще есть много неизученного, и над этим сегодня работают многие ученые.
Так как я отучился на фельдшера скорой помощи, не упомянуть про это я тоже не мог. Несколько возможных прогнозов:
- "Обратимая смерть", которая даст время для спасения пострадавшего. Например, ввести крио-раствор вместо крови, пока человека везут в реанимацию.
- Получение достоверной и нужной информации о повреждениях сразу со смартфона или напрямую с одежды пострадавшего.
- Доставка кислорода в любые поврежденные части тела, особенно в мозг, более быстрым способом - опять же, через специальный раствор.
- Приспособления для поддержания активности мозга , если даже тело перестало качать кровь. Что-то вроде каски, которая оборудована проводами и трубочками с заменителями крови.
- В реанимационной, за счет технологий, оборудованных по последнему слову техники, реаниматологи не будут терять те драгоценные минуты, от которых многое зависит.
Из-за меньшего внимания к реаниматологии, чем к другим отраслям медицины, со стороны исследователей и правительств, на реализацию этого прогноза может понадобиться и 20 лет.
И последний прогноз - это всеобщая компьютеризация и интеграция всех структур медицины
Инновации коснутся непосредственно всех структур медицины. Даже таких простых, как выписка лекарств больному, заполнение его истории болезни , получение информации - о нем, о его болезнях, которыми он болел до этого, о его наследственных заболеваниях , с их вероятностью... Все это будет синхронизироваться в центральных серверах и подаваться на планшеты, которые будут даваться каждому доктору, когда они начнут работу. Им останется только приложить электронную карточку пациента к девайсу. Если нет карточки - не беда, всегда можно заполнить все, даже не печатая, а разговаривая (голосовое управление). У нас, правда, это всё будет лет через 50, а то и 80.
В итоге хочется сказать, что все это возможно лишь в том случае, если мы не будем себя ограничивать. Как сказал наш профессор: "Десять лет назад все, что мы видим сейчас, было лишь фантастикой и плодом воображения писателей и режиссеров, а сейчас, - все это окружает нас. И нет сомнения в том, что то, что показывают сейчас в фантастических фильмах и пишут в книгах - сбудется в ближайшие 5-10 лет". Ну, может и не за 5-10 лет, но в ближайшие 50-80 лет должно сбыться точно. Я в это верю.
А вы верите в это?
Ибрагим САЛАМОВ