Медицина будущего

Новая эра высоких технологий в медицинской диагностике

Телемедицина и системы дистанционного биомониторинга

Наномедицина: реалии и прогнозы

Биомедицинские технологии

В начале ХХ в. писатель-фантаст Александр Беляев на страницах своих произведений повествовал о пересадке жизненно важных внутренних органов и описывал операции на хрусталике глаза, в то время как специалисты даже и не думали о таком способе восстановления зрения. У нынешнего поколения есть возможность воочию увидеть «изобретения» научной фантастики.

Делать прогнозы в ХХI в. вдвое сложнее, ведь мы живем в эпоху глобального научного переворота, и темпы научно-технологического прогресса постоянно возрастают. За последние несколько десятилетий человечество обрело больше научных знаний, чем за всю предыдущую историю, и наверняка к 2100 г. их объем успеет удвоиться еще не один раз. И все-таки можно предположить, что в медицине будущего приоритетным будет внедрение нано-, био- и компьютерных технологий, основной упор будет сделан на профилактику и раннее прогнозирование заболеваний, что позволит снизить расходы на лечение, а возможности дистанционного консультирования снивелируют расстояния.

Новая эра высоких технологий в медицинской диагностике

На сегодняшний день есть основания считать возможным появление в ближайшем будущем технологий, с помощью которых человек будет получать информацию о состоянии своего здоровья без выполнения специальных процедур. Дабы прогнозы стали реальностью, многие ученые из разных стран мира посвящают свою профессиональную деятельность разработке новых технологий оборудования, средств и методов диагностики. Речь идет, в частности, о создании микрочипов для проведения множественного биохимического анализа, которые представляют собой кремниевые, пластиковые или стеклянные пластинки с миллионами крохотных сенсоров, настроенных на узнавание фрагментов ДНК или белков, характерных для конкретных болезней. При наличии анализатора это фактически является мини-лабораторией, обладающей очень высокой точностью (рис. 1).

Рис. 1. Биочип – по сути, миниатюрная лаборатория, с помощью которой можно одновременно определять множество параметров в одном образце крови

Недавно группа ученых из Калифорнийского технологического института и Института системной биологии изобрела еще один вид чипа – комплексно-штриховой код крови (Integrated Blood-Barcode Chip, IBBC). Поскольку его цель состоит в выявлении определенных молекул, весь поток должен пройти через разветвленную сеть специфических ловушек. В них попадают только те молекулы, на которые эти ловушки настроены. Сегодня, для того чтобы прочитать данный штрих-код крови, используется лабораторный сканер, однако в будущем, по словам разработчиков, чтение чипов IBBC будет возможным при помощи небольшого прибора, похожего на обычный сканер штрих-кодов в кассах магазинов. Важным является то, что цена одного такого мультитеста при массовом выпуске чипов будет идентична цене нынешнего анализа плазмы всего на один белок, так что у IBBC хорошие перспективы. При помощи этого чипа исследователям удалось проследить за меняющейся концентрацией в крови хорионического гонадотропина человека у беременной женщины, причем IBBC смог легко определить его как в очень низких, так и в очень высоких концентрациях. Также авторы технологии применили ее для выявления рака груди и предстательной железы у ряда пациентов. Кроме того, IBBC позволяет с высокой точностью наблюдать за изменениями в состоянии больного и быстро определять реакцию человека на новое лекарство, а это значит, что план лечения может стать более точным и более индивидуальным [9].

На этом поприще трудится также Лерой Худ (Leroy Hood), президент Института системной биологии, известный своими исследованиями в области биотехнологии и секвенирования ДНК. В 2004 г. он заявил, что с появлением новых приборов у нас появится возможность проводить по десять тысяч различных медицинских тестов одновременно по одной пробе крови из пальца. Немногим позже Лерой Худ и его коллеги из Вашингтонского университета создали чип размером около 4 см, способный обнаруживать определенные белки по одной капле крови. В настоящее время такой чип стоит всего 10 центов и определяет конкретный белок в течение 10 мин. Можно сказать, что он в несколько миллионов раз более эффективен, чем предыдущая система. Как видим, слова ученого не расходятся с делом: он сам активно работает, чтобы реализовать свой прогноз [3].

Продолжается также разработка микрокантилеверных чипов – механических передатчиков для одновременного выявления антигенов или нескольких видов одного антигена. Механизм работы таких микрочипов основан на измерении возникающего при межмолекулярном взаимодействии изгиба кантилеверного датчика. Ученые планируют на основе кантилеверных биочипов создать прибор для экспресс-диагностики рака предстательной железы, причем технология таких биочипов позволит значительно сократить время анализа и сделать диагностический прибор портативным [2].

Исследователи не прекращают заниматься усовершенствованием метода МРТ-диагностики. Так, в 1993 г. Бернхард Блюмих (Bernhard Blumich) и его коллеги из Института полимерных исследований Общества Макса Планка выдвинули новую идею, которая может оказаться очень полезной в создании портативных МРТ-аппаратов. Они изобрели принципиально новый аппарат высотой около 30 см, получивший название MOUSE (mobile universal surface explorer). Блюмих считает, что в ближайшем будущем у каждого человека будет личный MOUSE, и проведя им по коже, он в любой момент сможет заглянуть внутрь своего организма. Компьютер проанализирует полученную картину и установит диагноз [7].

В настоящее время продолжается разработка специальных таблеток с микросхемами. Профессор кафедры патологии Университета штата Вирджиния Робин Фелдер (Robin Felder) прогнозирует [6], что фармацевтические компании смогут добавлять в таблетки безопасные для пищеварительного тракта микросхемы по крайне невысокой себестоимости. Эти микросхемы дают возможность фиксировать факт приема препарата пациентом, измерять кислотность желудочного сока и другие важнейшие показатели и передавать данные на сотовый телефон. Уже сегодня в пилюлю, похожую на стандартную таблетку, можно поместить компьютерный чип со встроенной телекамерой и радиопередатчиком. Она снимает пищевод и кишечник, передавая сигналы на расположенный рядом приемник. Подобные разработки дают основание предполагать, что постепенно отпадет необходимость в таких обременительных методах исследования, как, например, гастро- и колоноскопия.

Телемедицина и системы дистанционного биомониторинга В начало статьи

По определению ВОЗ, телемедицина – это комплексное понятие для систем, услуг и деятельности в области здравоохранения, которые могут дистанционно передаваться средствами информационных и телекоммуникационных технологий в целях развития всемирного здравоохранения, контроля над распространением болезней, а также образования, управления и исследований в области медицины. К наиболее новаторским направлениям телемедицины относятся телехирургия и дистанционное обследование.

Телехирургия находится в стадии экспериментальных разработок и предполагает дистанционное управление телеуправляемыми манипуляторами непосредственно при проведении операций (управление скальпелем, лазером и т.д.). Успешные примеры экспериментального дистанционного использования роботов-манипуляторов уже имеются. Так, с появлением известного хирургического робота da Vinci (рис. 2) произошла революция в осуществлении лапароскопических операций. Робот широко используется в урологии, в частности при хирургическом лечении рака предстательной железы, почек и мочевого пузыря, а также в гинекологии.

Рис. 2. Робот-хирург da Vinci произвел революцию в технологии проведения лапароскопических операций

Перспективным направлением является трансляция хирургических операций. В 2009 г. группа исследователей из канадского Университета Макмастера отправилась за Северный полярный круг для того, чтобы выяснить, как телемедицина может быть использована для лечения жителей удаленных регионов. Ученые осуществили серию смоделированных неотложных медицинских манипуляций с роботом-пациентом, используя помощь медицинских специалистов, находящихся в Торонто, Нью-Йорке и Шотландии. Роботы-пациенты могут разговаривать, имитировать дыхание, реагировать на медицинское вмешательство, у них есть сердцебиение. Одна из проведенных операций включала оказание помощи пострадавшему от условного нападения медведя. У пациента были серьезно повреждены конечности и брюшная полость. Ученым удалось «спасти» его жизнь, при этом они проводили дефибрилляцию, переливание крови, а также ряд других медицинских манипуляций [11].

На сегодняшний день активно развиваются системы дистанционного биомониторинга. Так, ученые экспериментируют с интеграцией датчиков в одежду, различные аксессуары, мобильные телефоны. В будущем с помощью таких биосенсорных механизмов появится возможность постоянно мониторировать концентрацию сахара в крови, давление, частоту сердечных сокращений, биохимию крови, уровень гормонов и много других параметров, по которым можно заподозрить начало того или иного заболевания. Данные будут передаваться в медицинское учреждение, и лечащий врач сам вызовет пациента на прием. Таким образом, отпадет необходимость в обязательных медицинских плановых осмотрах. За человеческим телом будут постоянно следить специальные устройства, не давая возможности заболеванию усугубиться. Это важно, например, для больных с сердечной недостаточностью, нуждающихся в регулярных и частых обследованиях.

Специалисты компании Novartis разработали микрочип IEM, который активируется под действием кислой среды желудка, после чего передает сигнал на небольшое устройство, закрепляющееся на коже больного. С его помощью врач получает информацию о дате и точном времени приема лекарства, его названии, дозировке и т.д. на свой компьютер или телефон. Между тем сам микрочип на основе органических материалов переваривается организмом без следа. Данный метод является незаменимым для пациентов после пересадки органов. В этой ситуации точная дозировка и время приема препаратов, не дающих организму отторгнуть пересаженные ткани, имеют критическое значение. Такие технологии уже позволяют создавать аналогичные чипы для мониторинга состояния пациента, в частности для определения частоты сердцебиения, температуры тела и т.д., так что таблетка, по-видимому, будет еще более совершенствоваться в ближайшее время [8].

«Умными» в скором будущем будут не только таблетки, но и одежда. Эту технологию в 2009 г. уже опробовали в Главном кардиологическом госпитале Сотирия (Греция), помещая в текстиль специальный набор сенсоров, присутствие которых в одежде не ощущается. Единственное устройство, которое пациент должен иметь при себе, – небольшой аппарат размером с мобильный телефон. Это передатчик, который собирает медицинские показатели и передает их лечащему врачу. В будущем такая «умная одежда» поможет дистанционно следить за состоянием здоровья больных.

Идею медицинских приборов, встроенных в предметы быта, частично воплотила немецкая компания Ford. Шесть чувствительных сенсоров, вшитых в обивку автомобильного сидения, могут определять частоту сердечных ударов водителя. Датчики располагаются попарно в три ряда, что позволяет подстроить их под рост водителя. По словам специалиста исследовательского центра Ford Ахим Линднер, полученную информацию можно использовать для контроля самочувствия или передать на анализ специалистам.

Сегодня также ведется разработка контактных линз и других глазных аппликаторов, оснащенных специальными датчиками, которые автоматически измеряют уровень глюкозы в выделениях слезных желез у пациентов с диабетом. Данные от датчиков передаются на мобильный телефон.

Перспективы телемедицины связаны с дальнейшей миниатюризацией контрольно-измерительных средств, внедрением смарт-технологий, робототехники, новейших достижений информатики, прикладных аспектов нанотехнологии. Возможность дистанционно следить за здоровьем пациентов позволит врачам быстрее выявлять негативные симптомы и более точно выполнять требования в отношении медикаментозного лечения и ведения больных. В перспективе эти технологии могут помочь избежать необходимости стационарного лечения и вести более здоровый образ жизни миллионам людей, особенно пациентам с такими хроническими заболеваниями, как диабет, застойная сердечная недостаточность и хронические обструктивные заболевания легких. В таком случае, согласно результатам ряда исследований, за счет наблюдения на дому можно будет на 74% снизить затраты на лечение указанных заболеваний [6].

Наномедицина: реалии и прогнозы В начало статьи

Нанотехнологии в медицине появились 15-20 лет назад, и их стали применять для визуализации патологических изменений в органах и тканях, адресной доставки лекарственных средств и аналитической биохимии. Сейчас ученые в этой области работают над созданием наночипов, позволяющих размещать миллионы точек на той же площади, которую занимает единственная точка в микрочипе. Ожидается, что вскоре будет сконструирован наночип, на который будет нанесен весь геном человека. Делом ближайшего будущего в медицине является разработка ДНК- и белковых наночипов для диагностики индивидуальной схемы старения каждого человека и влияния времени на этот процесс [5].

В терапии нанотехнологии используются для адресной доставки некоторых лекарственных веществ (гены и белки) в клетки и ткани с помощью синтетических наночастиц, вирусных капсул или липосом. В настоящее время в этой области развивается перспективное направление – генотерапия, заключающаяся в прицельной доставке генов в ткани и клетки, которым необходимо лечение. Фрагмент ДНК плотно упаковывается и помещается в наноконтейнер. Он изготавливается из фосфолипидов, фрагментов вирусов или другими способами. Главная сложность создания таких контейнеров состоит в том, что они должны разрушаться внутри клетки и быть нетоксичными [5].

Сегодня активно обсуждается создание нанороботов для медицинских целей. В качестве двигателей для таких роботов рассматривают наномоторы из белков миозина и актина или кинезина и тубулина. Предполагается, что эти биомоторы можно будет использовать для доставки макромолекул, необходимых для лечения или диагностики, к ядру или определенным отсекам клетки. В перспективе нанороботы будут использоваться для коррекции клеточных и молекулярных дефектов внутри сосудов или даже внутри клеток. Существует возможность того, что нанороботы могут выполнять ряд функций, связанных с сердцем, например регенерацию поврежденных тканей сердца. Другой вариант использования нанотехнологий заключается в применении наноустройств для очищения артерий от атеросклеротических бляшек и устранения других проблем. Эти механизмы, сконструированные из биологических молекул, будут избирательно находить поврежденный участок и обеспечивать разрушение атеросклеротической бляшки или устранение тромба. После выполнения своей задачи нанороботы должны самоликвидироваться без вредных последствий для организма (рис. 3).

Рис. 3. Нанотехнологии на службе человека: ученые создали мельчайшие частицы, которые при проникновении в кровеносную систему способны разрушать любые новообразования, мешающие кровотоку

Не исключено, что наночастицы смогут не только находить раковые клетки и доставлять к ним необходимые химические вещества, но и уничтожать их. Принцип их действия заключается в том, что наночастицы, обладающие способностью поглощать свет определенной частоты, при фокусировании на них луча лазера нагреваются или начинают вибрировать, разрушая клеточные стенки всех находящихся поблизости раковых клеток и уничтожая их. Таким образом, основная задача ученых – подвести наночастицы вплотную к раковым клеткам [5].

Исследователи, работающие в этой области, уже создали первые образцы. Так, специалисты Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета (США) разработали наночастицы из диоксида титана, которые можно привязать к антителу, естественным образом находящему в организме раковые клетки определенного типа, так называемые мультиформные глиобластомы. Наночастицы добираются до раковых клеток на этих антителах, после чего включается белый свет, раковые клетки нагреваются и погибают. Результаты исследований демонстрируют, что таким образом можно уничтожить 80% раковых клеток [3].

Существует еще один способ применения наночастиц с целью предотвращения развития опухоли. Исследователи из Университета Йонсей в Сеуле (Южная Корея) разработали мультифункциональные наночастицы, способные обнаруживать, визуализировать и уничтожать раковые клетки в человеческом организме [1]. Эти наночастицы состоят из четырех основных компонентов. Первые два – магнитные ядра из оксида железа (агент контраста для визуализации методом магнитного резонанса), к поверхности которых присоединен пептид, способный связываться с интегрином (рецептор, характерный для мембран злокачественных клеток). Третий компонент – фрагмент РНК (siRNA), атакующий специфические гены раковых клеток. Они связываются с информационной РНК (mRNA), перехватывая таким образом «приказы» о формировании белка, участвующего в строительстве опухоли.

Результаты пока не многочисленных доклинических испытаний наноматериалов свидетельствуют о том, что при низких концентрациях наночастицы не оказывают опасного для организма влияния, в противном случае его можно существенно снизить путем изменения заряда, размеров или гидрофобности частиц [5].

Биомедицинские технологии В начало статьи

Одним из видов биомедицинских технологий является биомедицинская инженерия. Еще в 1998 г. ученые Университета Эмори (штат Джорджия, США ) и немецкого Университета Тюбингена поместили крошечный стеклянный электрод непосредственно в мозг парализованного после инсульта 56-летнего мужчины и соединили его с компьютером, который анализировал получаемые от мозга сигналы.

Самую продвинутую версию этой технологии создал в Университете Брауна (штат Род-Айленд, США) нейробиолог Джон Донохью (John Donoghue). Он разработал устройство под названием BrainGate, призванное помочь людям, пострадавшим от мозговых травм, общаться с окружающим миром. Донохью помещает крохотный чип размером 4 мм на поверхность мозга пациента в зоне, отвечающей за двигательную функцию. Чип подключают к компьютеру, который принимает сигналы, обрабатывает их и передает по беспроводной связи на лэптоп. Пациент методом проб и ошибок учится контролировать курсор и получает возможность выполнять любые действия, которыми может управлять компьютер [3].

В прошлом году специалисты из медицинской школы Университета Питтсбурга (штат Пенсильвания, США) создали новый нейрокомпьютерный интерфейс и роботизированную руку, которой пациент может управлять посредством одних только мыслей. Ученые поместили сетку электродов размером с почтовую марку на поверхность двигательной зоны коры головного мозга в той области, где происходит возбуждение нейронов, отвечающих за движения правой рукой (рис. 4). Компьютер обрабатывает сигналы и преобразует их в определенные движения протеза. В дальнейшем специалисты намерены внедрять пару сеток электродов: одну, чтобы контролировать движение всей руки, вторую – для более точной настройки движений кисти. Ученые надеются в ближайшем будущем научить пациента относительно точно двигать пальцами протеза, сделать систему беспроводной, а также разработать систему возврата в мозг сигналов о прикосновении [10].

Рис. 4. Новое направление ортопедии – биомехатроника – призвано наладить «общение» между роботизированным протезом и нервной системой человека

Перспективным направлением в области биомедицинских технологий является развитие клеточной терапии, в частности для лечения хронических заболеваний органов мочеполовой системы, в т.ч. в случаях, сопровождающихся утратой значительной части их функции. Кроме того, продолжается разработка методов реконструктивных (нехирургических) манипуляций с тканевыми культурами для формирования утраченных органных структур, выращивания и внедрения аутоклеточных имплантатов [4].

Одним из развивающихся направлений является применение клеточных технологий для лечения ангиогенез-зависимых заболеваний, в частности эндометриоза. Так, группа американских ученых из Гарвардской медицинской школы и Бостонской детской больницы предлагает воздействовать на ангиогенез при помощи дендритных клеток. Используя мышиную модель эндометриоза, исследователи показали, что эти клетки встраиваются в области повреждений и способствуют росту сосудов. Кроме того, было доказано, что дендритные клетки точно так же усиливают ангиогенез в абдоминальных опухолях. Следующим шагом является поиск специфического ингибитора дендритных клеток, чтобы, воздействуя на них, прекратить нежелательный ангиогенез. Таким образом удастся разработать метод клеточной терапии для ангиогенез-зависимых заболеваний, который будет более эффективным и связанным с меньшими побочными эффектами, чем методы, применяющиеся в настоящее время [12].

Актуальным предметом исследований на сегодняшний день является применение стволовых клеток костного мозга для лечения мужского бесплодия. Мужское бесплодие может возникнуть в результате несостоявшейся пролиферации или дифференциации зародышевых клеток (предшественников сперматозоидов) либо вследствие дисфункции поддерживающих клеток. Исследователи из Медицинского центра Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) под руководством Рональда Свердлоффа собрали стволовые клетки из костного мозга мышей, экспрессирующие зеленый флуоресцентный протеин (GFP), и ввели их в яички мышей с бесплодием, которое вызывалось химическим или генетическим способом. Донорские клетки, экспрессирующие GFP, поселялись в яичках и оставались живыми в течение всего 12-недельного периода исследования. Они демонстрировали форму, характерную либо для зародышевых клеток, либо для поддерживающих клеток, что говорит о дифференциации стволовых клеток. Эти дифференцированные донорские клетки обнаруживались также вблизи собственных клеток реципиентов того же типа, показывая, что местная клеточная среда, по-видимому, влияла на метаболический путь донорских стволовых клеток. Для дальнейшего подтверждения дифференцированного состояния донорских клеток была рассмотрена экспрессия определенных протеинов на клеточной поверхности. И зародышевые, и поддерживающие клетки экспрессировали маркерные протеины, которые, как известно, обнаруживаются только на дифференцированных, но не на стволовых клетках. Эти данные показывают, что стволовые клетки костного мозга потенциально могут дифференцироваться в клетки яичек, участвующие в производстве спермы: и в зародышевые, и в поддерживающие. Целью дальнейших исследований будет анализ других факторов, необходимых для полного цикла сперматогенеза на этой трансплантационной модели [13].

Также разрабатываются методы пересадки стволовых клеток и клеток-предшественников, полученных из разных источников (аутологичные клетки взрослого организма, аллогенные фетальные или эмбриональные клетки, ксеногенные клетки, полученные от животных) для стимуляции регенерационных процессов в патологически измененных органах и восстановления их функции, что особо важно для лечения пациентов с онкопатологией.

Одна из главных проблем, касающихся применения стволовых клеток, состоит в том, что такие клетки без внешних химических сигналов иногда продолжают очень быстро размножаться и в конечном итоге перерождаются в раковые. Известно, что химические сигналы, курсирующие между клетками и принимающие участие в процессах их роста, так же важны, как и сами клетки. Тем не менее на сегодняшний день можно говорить о стабильном прогрессе в этой области, темп которого, как и во всех остальных областях медицины, будет неизбежно ускоряться.

Литература

1. Антиопухолевая терапия // Российские нанотехнологии. – 2009. – Т. 4, № 7-8. – C. 8. – http://nanorf.ru/science.aspx?cat_id=4353&d_no=4378

2. Горелкин П., Ерофеев А., Киселев Г. и др. Анализ на кантилеверных биочипах для экспресс-диагностики рака предстательной железы // Наноиндустрия. – 2011. – Т. 5, № 29. – С. 56-58. – http://www.nanoscopy.ru/uploads/files/56-59.pdf

3. Каку М. Физика будущего / Пер. с англ. – М.: Альпина нон-фикшн, 2012. – 584 с.

4. Сивков А. В., Кешишев Н. Г. Инновации в урологии: от настоящего – к будущему // ФГБУ «НИИ урологии Минздрава России». Новости Российского общества урологов. – http://uro.ru/node/3403

5. Ткачук В.А. Нанотехнологии и медицина // Российские нанотехнологии. – 2009. – Т. 4, № 7-8. – С. 11-13. – http://144.206.159.178/ft/10601/638420/12797442.pdf

6. Alwan M., Sifferlin E.B., Turner B. et al. Impact of passive health status monitoring to care providers and payers in assisted living // Telemed J E Health. 2007 Jun; 13 (3): 279-85. – http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17603830

7. Blumich B. The Incredible Shrinking Scanner: MRI-like Machine Becomes Portable // Scientific American, November 2008. – P. 68. – http://miriam english.org/files/IncredibleShrinkingScanner.html

8. Edwards L. Chip-in-a-pill may be approved in 2012 // November 10, 2010. – http://phys.org/news/2010-11-chip-in-a-pill.html

9. Fan R., Vermesh O., Srivastava A. et al. Integrated Blood Barcode Chips. – Nat Biotechnol. 2008 December; 26 (12): 1373-1378. – http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2775523/

10. Man with Spinal Cord Injury Uses Brain Computer Interface to Move Prosthetic Arm with His Thoughts // Oct. 10, 2011. – http://www.upmc.com/media/NewsReleases/2011/Pages/bci-press-release.aspx

11. McMaster researchers head north to explore space-based telemedicine // July 21, 2009. – http://fhs.mcmaster.ca/main/news/news_2009/space_based_telemedicine.html

12. New approaches to endometriosis treatment – mouse experiments point the way // European Society of Human Reproduction and Embryology – http://www.eurekalert.org/pub_releases/2007-07/esfh-nat_1070207.php

13. YanHe Lue, Krista Erkkila, Peter Y. Liu et al. Fate of Bone Marrow Stem Cells Transplanted into the Testis // The American Journal of Pathology, Vol. 170, No. 3, March 2007. – http://www.journals.elsevierhealth.com/periodicals/ajpa/article/S0002-9440%2810%2960911-X/fulltext

Подготовила Анастасия Классен

В начало статьи