ИТ-медицина: новые горизонты

Проникновение высоких технологий в привычные сферы нашего быта, возможно, не так заметно, как появление новых рынков (смартфонного, планшетного и т. п.), зато напрямую каждого из нас касается гораздо сильнее. Человек может не доверять свои бесценные данные облачным хранилищам и презирать модные фитнес-браслеты, однако на прием к врачу он уже будет вставать в электронную очередь, а анализы его будет обрабатывать современный, напичканный микропроцессорами полуавтономный лабораторный комплекс. Заглянем же в настоящее и ближайшее будущее высоких медицинских технологий, которые в скором времени будут иметь самое непосредственное отношение к каждому из нас.

Раскрутить двойную спираль

Прочитать информацию, содержащуюся в ДНК живого организма, будь то человек, морская свинка или бактерия, еще далеко не значит понять, как этот организм устроен и как его «чинить», если что-то пошло не так. Однако, бесспорно, возможность расшифровать ДНК нездорового (либо болезнетворного) организма дает в руки медиков огромный объем бесценных данных, из которого в наши дни кое-что практически полезное уже научились вполне эффективно извлекать. И чем дальше, тем более ценной будет становиться такая возможность.
Сначала — на уровне максимально широких обобщений; для определения того, какие именно участки ДНК ответственны за склонность к тем или иным болезням, за эффективность противодействия болезнетворным агентам, за общее состояние иммунной системы и скорость выздоровления после того, как хворь побеждена. Затем появится смысл развивать индивидуальный подход к каждой группе больных со схожими ДНК, а то даже и персональный, синтезируя оперативно лекарства, которые окажутся наиболее действенными именно для тех, для кого предназначены. Пока последнее остается еще в области если не фантастики, то разработок далекой перспективы. Однако медицина продолжает уверенно продвигаться в этом направлении прямо на наших глазах. Далеко не в последнюю очередь благодаря непрерывному и весьма существенному удешевлению самой процедуры ДНК-секвенирования.

Секвенирование, т. е. определение первичной структуры белковых макромолекул, — дело чрезвычайно непростое в случае ДНК. Особенно, если речь идет о наиболее развитых представителях животного царства: ДНК человека, к примеру, содержит около трех миллиардов химических «букв», которыми записана протяженная «фраза» его генетического кода. В 1990-х гг., всего-то около двух десятков лет назад, реальная стоимость секвенирования одной человеческой ДНК достигала 1 млрд. долл. США в тогдашних ценах. Но то были пионерские разработки, заложившие самые основы; разумеется, они обошлись дороже всего.

Дальше ученым в сотрудничестве с инженерами оставалось лишь совершенствовать достигнутое, — и темпы этого совершенствования не могут не впечатлять. Уже в 2007 г. секвенирование человеческой ДНК обходилось в среднем в 10 млн. долл. Сегодня же благодаря достижениям в том числе и компьютерной техники, такая процедура стоит около 1 тыс. долл. — это для протяженного, напомним, и сложного генома человека. Молекулы организмов попроще, несущие генетическую информацию, гораздо короче, и их можно секвенировать вообще чуть ли не даром, — буквально за десяток-другой долларов для простейших бактерий и вирусов.

Еще один серьезный прорыв современного геномного секвенирования — возможность производить его буквально в полевых условиях. Так, разработанный в новозеландском Университете Отаго ДНК-секвенсер Freedom4 размерами не превосходит стопку книг, работает от аккумулятора, передает полученную информацию непосредственно на подключенный ноутбук или даже смартфон посредством специального приложения, а процедура расшифровки ДНК с его помощью занимает лишь около часа. Такие приборы жизненно необходимы в районах, где существует угроза распространения эпидемий, — причем не только среди людей, но и среди животных. В сельском хозяйстве портативные ДНК-секвенсеры могут окупить себя довольно быстро, когда позволят не забивать без разбора всех животных на ферме с подозрением на птичий грипп либо коровье бешенство, а эффективно и своевременно локализовать источник заразы.

Freedom4

Конечно, полевые устройства, подобные Freedom4, не способны расшифровать и записать всю последовательность «букв» в генетическом коде человека; для этого требуется более мощная техника, в том числе и вычислительная. Например, специализированный суперкомпьютер HiSeq X компании Illumina, который обеспечивает реальную стоимость расшифровки полного человеческого генома на уровне 1 тыс. долл.

Полевые секвенсеры очень полезны еще и потому, что способны быстро и точно сообщить, есть ли в исследуемом образце та или иная последовательность геномных «букв», однозначно идентифицирующая некий участок генома. Новый вирус таким образом обнаружить нельзя, зато гарантировать наличие или отсутствие уже известного, с характерным маркером которого и производится сравнение, — можно. При цене около 25 тыс. долл. Freedom4 и подобные ему секвенсеры отлично справляются с задачами, для которых мощь оцениваемых в миллионы долларов «геномных мельниц» вроде HiSeq X представляется избыточной.

Биоэлектроника, вид изнутри

Чтоб человека вылечить, а тем более выходить после серьезной операции, необходимо как можно более оперативно получать точные данные о его состоянии. Точнее — о состоянии его органов и систем. Если снимать общеклинические показатели (температуру, давление, пульс) способны несложные внешние датчики, то во множестве серьезных случаев приходится прибегать к внутренним. Порой и установка, и последующее снятие таких датчиков могут представлять очень сложную хирургическую процедуру.

Например, ввести в мозг интра-вентрикулярный катетер в случае серьезной травмы головы с нарушением целостности черепа просто необходимо, — иначе нельзя получать оперативные и точные данные об уровне насыщения мозговых тканей кислородом и о внутричерепном давлении. Но внедрение такого катетера обыкновенно подразумевает просверливание в голове еще одной дырки либо временное снятие верхней крышки черепа. Чтобы по окончании реабилитационного периода изъять этот катетер, снова придется звать на помощь нейрохирурга.

Даже если речь не идет о столь сложной операции, и для установки внутреннего датчика не требуется циркулярная пила, все равно сама идея постреабилитационной операции для извлечения медицинского прибора представляется неестественной. Организм только-только более или менее вернулся в норму после серьезного недуга, восстановился, и тут — на тебе! — снова добро пожаловать на операционный стол; опять испытывать стресс на уровне тканей и отдельных органов, а затем запускать механизмы заживления и самовосстановления.

Кстати, биологические ткани отлично проводят электроток. Нельзя ли прямо из них и сформировать медицинский датчик с соответствующей функциональностью? По крайней мере, сделать такой датчик биоразлагаемым без вредных побочных эффектов, — чтоб хотя бы от операции по его извлечению избавиться? Ведь каждое хирургическое вмешательство из-за риска загрязнения открытой раны (насколько бы педантично ни соблюдались правила поддержания стерильности) влечет, по статистике, примерно 2%-ный риск развития постоперационной инфекции.

Похоже, что можно. Именно это направление развивает в наши дни группа исследователей под руководством профессора Джона Роджерса в Иллинойском университете муниципального района Урбана-Шампейн. Датчики, которые разрабатывает эта группа, печатаются на специализированном принтере и внешне напоминают RFID-метки, которые в книжных магазинах стараются незаметно вклеить в каждый том, чтобы предотвратить его кражу. Недавняя статья профессора Роджерса в уважаемом издании Advanced Materials суммирует исследовательские усилия его группы, начиная с 2008 г., и свидетельствует, что био-разлагаемые, дружественные к внутренней среде организма датчики — дело самого ближайшего будущего. Проект находится в стадии перехода к клиническим испытаниям.

Биоэлектроника

Схемотехнические компоненты такого датчика изготавливают из двух слоев. В качестве основы берется сверхтонкая (толщиной, измеряемой нанометрами) силиконовая пленка, заведомо инертная для биологических тканей. На нее напыляют тончайший же слой металла, который так или иначе не является для человеческого организма чужеродным: железа, цинка или магния. С витаминными таблетками и пищей в наш организм ежедневно попадают примерно такие же по массе порции этих металлов, как та, что уходит на создание одного биоразлагаемого датчика. Затем готовое полупроводниковое устройство упаковывают в защитную оболочку из биополимера, также нечужеродного для организма. В случаях повышенного риска возникновения иммунных реакций биополимер можно выращивать из донорских клеток самого пациента.

От биоразлагаемых датчиков открывается прямая дорога к другим инвазивным медицинским приборам, не требующим дополнительной операции по их извлечению. Скажем, чтобы регулярно доставлять лекарство к нуждающемуся в восстановлении внутреннему органу, приходится либо планировать прохождение этого лекарства через пищеварительный тракт или кровеносную систему, либо вживлять катетеры с иглами, нацеленными точно на нужный участок. Биоразла-гаемый же контейнер с лекарственным средством, размещенный непосредственно в нужной точке, сможет по часам (либо по внешней команде врача или автоматизированной лечебной системы) снабжать подвергаемую лечению ткань точно отмеренной дозой препарата, а по окончании курса лечения просто раствориться, не оставив следов.

Пока эпоха биоразлагаемых медицинских датчиков еще не наступила. Человечество продолжает полагаться на традиционные, стойкие к воздействию внутренней среды организма, — находя все новые способы разместить их в этом самом организме, чтобы собрать о нем как можно больше бесценных с точки зрения сохранения здоровья и жизни данных. Сегодня для полного сканирования состояния внутренних органов приходится применять громоздкие дорогостоящие аппараты МРТ и КТ, — да и они, вообще говоря, не гарантируют 100%-ной надежности обнаружения (как и необнаружения) потенциальных источников проблем со здоровьем. По крайней мере, пока эти источники не порождают измеримые на терапевтическом уровне неприятности.

Совсем другое дело — иметь возможность непрерывно, в реальном масштабе времени отслеживать состояние важнейших участков человеческого организма. Для этого, конечно, придется нашпиговать такой организм внутренними датчиками, что при нынешнем уровне развития технологий будет означать необходимость постоянно снабжать их энергией извне.

Да еще и в каждый проблемный участок мозга (как и в глазное яблоко, и в сердечный желудочек) просто так, на всякий случай медицинский детектор не установишь, — никакой организм не выдержит требуемого для этого количества хирургических вмешательств.

Значит, придется немного подождать, пока исследователи из Университета Висконсин-Мэдисон не доведут до ума свои графеновые оптогенетические датчики. Идея такой разработки родилась в ходе решения вполне практической дилеммы: ну хорошо, по жизненным показаниям имплантировать традиционный содержащий металл и пластик датчик в мозг или глаз можно уже сегодня. Но такая операция моментально ведет к исключению всех прочих способов