Медицина будущего станет невозможной без инженерии

Представьте себе: вы приходите к врачу, жалуетесь ему на здоровье и первое, что он делает, – загружает на экран компьютера ваш аватар, то есть максимально точную цифровую модель вашего организма с учетом генетических, физиологических, клеточных, неврологических и иммунных данных. Дальше врач не столько расспрашивает вас, сколько анализирует то, что происходит с вашим цифровым близнецом, ставит диагноз, после чего использует специально разработанные алгоритмы для тестирования различных терапий и выбора наиболее подходящей для вас, причем с учетом сочетаемости с теми препаратами, которые вы уже принимаете.

Как врач узнает, какие изменения произошли в вашем организме за последнее время? Вопрос законный, и на него есть ответ. Ваш реальный организм будет снабжен нанодатчиками, не создающими вам никакого дискомфорта. Они будут подгружать данные о вашем актуальном физическом состоянии к вашей электронной модели.

Такая картина выглядит фантастической, и тем не менее уже сегодня ученые обладают экспертизой и технологиями, позволяющими им начать работу над созданием цифрового аватара живого человека, который сделает медицину по-настоящему персонализированной и по-настоящему точной, или, как это называется на языке медицинской науки, прецессионной.

Рассказываем о медицине будущего.

О чем договорились ученые

21 февраля 2024 года в журнале IEEE OJEMB появилась статья международной группы ученых под названием «Большие вызовы на стыке инженерии и медицины» (Grand Challenges at the Interface of Engineering and Medicine).

Незадолго до этого авторы, 50 научных работников из ведущих научных центров США, провели два дня за рабочим столом, обсуждая медицину будущего.

За последние два десятилетия биомедицинская инженерия превратилась в серьезную дисциплину, которая готова ответить на вызовы общественного здравоохранения при помощи инновационных технологий, а для этого необходимо определить стратегические направления работы.

Сегодня такие ответы лежат не в сфере отдельных медицинских дисциплин – неврологии, гастроэнтерологии, кардиологии и так далее – а в мультидисциплинарном подходе.

Медицинский специалист будущего должен будет иметь самые разнообразные квалификации, а команды врачей – совместно обслуживать новые медицинские подходы.

Коллектив авторов статьи наметил пять важных направлений развития медицины будущего:

1. Прецессионная медицина, создание аватаров клеток, тканей, органов и всего человека.

2. Разработка умных и чувствительных приборов, которые при необходимости могли бы восполнить отсутствие у человека органа или конечности и обеспечить ему нормальное функционирование.

3. Специальные внешние по отношению к мозгу технологии, которые бы с учетом обширной информации о функционировании мозга могли выполнять терапевтические функции в отношении неврологических заболеваний.

4. Разработка таких подходов, которые могли бы регулировать иммунную систему человека.

5. Новые стратегии в развитии инженерных технологий вмешательства в гены и клетки.

Создание аватаров

Для выполнения этой задачи требуется соединение точной медицины и точной инженерии. Этого можно достигнуть только при условии, что в единую цепочку будут соединены индивидуальные данные пациента, его диагноз, его риски и оптимальная для него терапия.

Ученые планируют широко использовать образцы клеток самого пациента, которые уже сегодня можно конвертировать в плюрипотентные стволовые клетки, а затем индуцировать их превращение в какой-то конкретный тип клеток, например в клетки печени.

Уже сегодня используется такая технология, как «орган на чипе», с помощью которой можно спрогнозировать, как та или иная терапия подействует на реальный орган конкретного пациента. Кстати, недавно Конгресс США принял закон, разрешающий одобрять проведение клинических испытаний препаратов на основе физиологических данных, полученных именно таким образом, вместо доклинических испытаний на животных.

Еще одна задача – это сбор актуальных данных о состоянии человека, для чего необходимо создание чувствительных датчиков с динамической системой обратной связи. В этой области за последние 20 лет достигнуто тоже немало.

Уже применяются разнообразные мониторы физической активности и некоторых показателей состояния (например, пульса), однако сегодня данные таких приборов не могут быть аккумулированы и проанализированы без визитов в поликлинику, а кроме того, они не выдают сообщений о возникающем риске для здоровья и рекомендаций, как их предотвратить.

Задача ученых – создать систему обратной связи, которая бы на основе интеграции базового аватара и новых данных выдавала бы пациенту советы по изменению образа жизни либо сообщала о необходимости посетить врача.

Возьмем для примера диабет 2-го типа, заболевание, которым страдает каждый десятый человек на планете. Пациентам с этим заболеванием необходимо поддерживать стабильные уровни глюкозы в крови, чтобы снизить риск возникновения сердечно-сосудистых заболеваний и смерти от них.

Как полагают ученые, создание цифрового аватара пациента и связанных с ним датчиков уровня сахара и других показателей может сделать прогнозирование развития болезни гораздо более точным, а также выдать рекомендации по диете и приему препаратов конкретно для этого пациента.

Разумеется, такие модели должны обладать способностью к самообучению, то есть быть искусственным интеллектом.

Ученые считают, что одной из конечных целей цифрового близнеца должна быть способность предупредить своего живого близнеца о приближающемся заболевании до того, как оно наступило, и выдать рекомендации по его предотвращению.

Замена больных органов здоровыми

«Милосердие.ru» неоднократно писало об инновационных протезах рук и ног, управляемых электронными девайсами, которые, в свою очередь, получают сигналы от мозга человека через имплантированный в него чип. Эти технологии уже используются и становятся все дешевле и доступнее. С заменой органов, скроенных по индивидуальному заказу, сложнее, но и это возможно.

Авторы статьи о биоинженерных стратегиях ставят амбициозную задачу: разработать новые подходы и технологии, позволяющие на основе стволовых клеток создать широко доступные терапии, такие как искусственное сердце, искусственные системы доставки лекарственных препаратов, девайсы, восстанавливающие утраченные мозговые функции с системой обратной связи.

Огромным вызовом для медицины сегодня являются тяжелые болезни легких на последней стадии, потому что единственным выходом для такого пациента является пересадка, сопряженная с большими сложностями в подборе донорского органа и с серьезными рисками. Неслучайно заболевания легких являются третьей ведущей причиной смертности в мире.

Создание искусственного легкого для трансплантации или лечение поврежденных участков этого органа должно стать терапией, спасающей жизни миллионов людей на планете, а кроме того, стать моделью терапий для других органов, пронизанных сетью кровеносных сосудов, таких как печень, почки и сердце, – таков план, намеченный в статье.

Инженерия легкого, которое состоит из клеток более 50 типов и сложных иерархически организованных воздушных путей и мышц, требует совместных усилий специалистов биоинженерии, клиницистов и экспертов в области материалов, биомехаников, психологов, клеточных биологов.

Это еще раз демонстрирует тот факт, что медицина уже сегодня, а тем более завтра все менее остается собственно медициной, неким видом взаимодействия врача и пациента в больничном пространстве, и невозможна без обращения к инженерии и другим областям знания.

Ученые уже умеют создавать разные типы клеток на основе стволовых, могут выращивать ткани, накапливают экспертизу в области печати органов на 3D-принтере, умеют пользоваться биореакторами, так что будущее, в котором операция по пересадке искусственно напечатанных или выращенных в биореакторе тканей и органов станет рутинной процедурой, уже вполне просматривается.

Мозг внутренний и мозг внешний

Самым сложным для медицинских вмешательств органом по-прежнему остается мозг. Нейродегенеративные болезни до сих пор почти не лечатся, то же самое можно сказать и о ряде неврологических и ментальных болезней.

В то же время у ученых появились новые возможности для изучения функций мозга, например мини-мозги, то есть органоиды, выращенные при помощи технологий, основанных на использовании стволовых клеток.

Ученые считают, что со временем будет возможно имплантировать в мозг искусственно выращенные нейронные сети для восстановления утраченных в результате болезни или травмы функций.

Пожалуй, самая амбициозная задача – это создание экзокоры головного мозга, то есть внешнего, а не имплантированного электронного устройства, которое стало бы одним целым с внутренним мозгом хозяина, дополняя его в той части, которая утратила свою функцию.

Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Вот пример.

Не так давно американец Бенджамин Чой разработал протез руки, управляемый мозгом человека, но не через чип, имплантированный в мозг, а через внешний девайс, улавливающий сигналы электроэнцефалограммы хозяина протеза.

Для создания экзокоры авторы статьи предлагают объединить искусственный интеллект, достижения нейробиологии и инженерии. Это позволит не только сделать рывок в лечении заболеваний мозга, но и повысить творческую активность человека и качество его жизни.

Приручить иммунитет

Если мозг – самый сложный орган, то иммунитет– пожалуй, самая сложная система организма. Ученые признают, что наше представление о ее структуре и функционировании ограниченно, поэтому задача номер один – продолжать научные изыскания в этой области.

В то же время уже сегодня иммунные терапии рака становятся все более доступными для человечества, а создание вакцин нового поколения, основанных на мРНК вирусов, уже дало свои плоды во время пандемии.

Поскольку иммунная система играет определенную роль в онкологических и других аутоиммунных заболеваниях, включая нейродегенеративные и некоторые метаболические (например, диабет 1-го типа), то ученые надеются, что в будущем научное сообщество при помощи биоинженерии создаст своеобразные вакцины и от этих заболеваний. А если мы вспомним про аватар и датчики, которые будут приводить его в соответствие с актуальным состоянием организма, то такие вакцины возможно будет применить заранее при установленном риске такого заболевания.

Вот такая медицина ждет нас в будущем, причем, по оптимистичным подсчетам, это будущее наступит довольно скоро, через 20–30 лет.