В ногу со временем. Как технологии вернут возможность незрячим видеть, а инвалидам — свободно передвигаться

Современная медицина позволяет человеку дожить до возраста, который еще несколько веков назад был почти недосягаем. Но серьезные заболевания и тяжелые травмы до сих пор лишают многих людей надежды на нормальную жизнь. Однако ученые и врачи создают технологии, которые не только помогут таким пациентам жить полноценно, но и дадут здоровым людям новые возможности. «Лента.ру» в рамках проекта «КиберРеальность» рассказывает, какой станет медицина будущего и что для этого делается уже сейчас.

Весной 2020 года впервые за несколько десятилетий на человечество обрушилась новая пандемия. Коронавирус SARS-CoV-2, вызывающий тяжелую инфекцию, охватил все крупные страны и заразил сотни миллионов человек.

Всего за год мир сильно изменился: больницы переполнились пациентами, системы здравоохранения не справлялись, границы закрывались, а людей изолировали друг от друга, чтобы оградить от опасных последствий. Пандемия не заканчивается, и здравоохранению приходится привыкать к новым условиям.

Проблему решают по-разному. Например, в Сингапуре из-за серьезной нагрузки на медучреждения власти перестали госпитализировать детей, поскольку COVID-19 не представляет для них серьезной угрозы. Однако это не значит, что все случаи болезни проходят без осложнений. На помощь докторам пришли современные технологии: несколько десятков врачей объединились и стали работать с детьми удаленно. Это лишь один из многих случаев, когда технологии помогают найти выход в кризисной ситуации.

2020 год стал годом триумфа телемедицины — дистанционного оказания медицинских услуг. О ней и раньше говорили как о технологии будущего, но люди все же предпочитали ходить по врачам лично. Теперь, в сочетании с другими тенденциями в медицине, дистанционное общение с врачами обрело еще большую актуальность. Врач может дистанционно анализировать данные с носимых устройств вроде фитнес-трекеров, что сильно облегчает наблюдение за пациентом.

Телемедицина развивается с оглядкой на другие технологии, которые в будущем существенно облегчат работу врачам и помогут миллионам пациентов. Искусственный интеллект и связь мозга с компьютером, продвинутые протезы и виртуальные копии органов — все это станет реальностью уже в ближайшем будущем.

На пути к прорыву

Единственный шанс спасти человека с отказавшими органами — пересадка. Но дожидаются операции немногие: доноров всегда меньше, чем пациентов в очереди на трансплантацию. Надежду дарят клеточные технологии, которые позволяют вырастить новый орган или распечатать его на принтере.

Это биопринтинг, и чем-то эта технология напоминает трехмерную печать. Только 3D-принтер заряжен не обычными полимерными чернилами, а живыми клетками. Еще в начале 2000-х ученые выяснили, что клетки можно без вреда распылять через сопла струйных принтеров.

Биопринтер создает орган слой за слоем. «Чернила» состоят из самих клеток, белков и других биоматериалов. До выращивания полноценных органов еще далеко, и чаще всего биологи получают лишь заготовки — так называемые органоиды, которые используются в различных экспериментах, например, для тестирования лекарств. Однако биопринтинг уже позволяет получить кусочки кожи и тканей, которые можно использовать для заживления ран и регенерации кожных покровов.

«Легче всего печатать плоские органы — например, кожу и хрящ. На сегодняшний день большинство работ посвящено именно этим органам», — рассказывает соучредитель и управляющий партнер российской лаборатории 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани.

Трахею, кровеносные сосуды, мочеточники напечатать сложнее, поэтому их успешно пересаживают пока только у животных. При операциях на мочевом пузыре или матке создают «тканевые заплатки» — когда печатается не орган целиком, а только поврежденный участок. Что касается самых сложных с точки зрения биопечати органов — печени и почек, то их, по прогнозу Хесуани, смогут изготавливать примерно через десять лет.

Тем не менее возможности 3D-принтера впечатляют уже сейчас. Ученые из Университета Карнеги-Меллона сумели распечатать полностью функциональную модель человеческого сердца. Конечно, оно состояло не из живых клеток, а из полимера, хоть и неотличимого по свойствам от настоящих тканей. Такое сердце нельзя пересаживать, но его уже можно использовать для тренировки кардиохирургов.

Органы можно не только распечатать, но и вырастить. Их растят из стволовых клеток самого пациента, благодаря чему организм не отторгает новый орган. Пациенту не нужно будет принимать подавляющие иммунитет препараты, которые обычно атакуют чужеродные ткани.

Выращивать органы потенциально можно и внутри животных. Это уменьшит период ожидания очереди для людей, нуждающихся в трансплантации. «Вероятно, такие технологии появятся в следующие пять-десять лет», — говорит генеральный директор и сооснователь Genotek Валерий Ильинский.

За последние пять лет людям удалось напечатать не только мини-сердце, но и легкие, почки, кожу, роговицу и многие другие органы в виде органоидов. Но пройдет как минимум десять лет, прежде чем биопринтеры смогут напечатать функциональное человеческое сердце, пригодное для трансплантации реципиенту, предрекают специалисты лаборатории тканевой инженерии и регенеративной медицины Тель-Авивского университета.

Биопечать также ускорит долгий процесс разработки лекарств. Сегодня фармацевтические компании тратят более 50 миллиардов долларов на исследования, чтобы получить одобрение на проведение испытаний на животных. Но с помощью биопринтеров можно будет вовсе остановить испытания на животных, заменив их на выращенные ткани и органы.

Клеточные культуры и органоиды активно используют для генетических исследований, говорит Валерий Ильинский из Genotek. По ним, например, можно узнать о причинах заболеваний, передающихся по наследству.

Полноценные человеческие органы пытаются создать и в России. В 2021 году в Томском государственном университете открылась лаборатория, где из клеток создают биоматериалы вроде модели человеческих мышц. Они позволяют найти причину развития заболевания и подобрать эффективный план лечения.

Похожий прогноз делает и главный российский трансплантолог Сергей Готье. По его мнению, через 10-15 лет появится первое рабочее сердце, выращенное искусственно. Остается только узнать, сможет ли оно качать кровь так же, как это делает родное сердце человека.

Не исключено, что мировой прорыв случится в нашей стране. Россия — родина одного из ведущих производителей в области биопечати, компании 3D Bioprinting Solutions. Она производит 3D-принтеры для создания живых тканей, которые называют конструктами. Эти ткани выполняют функции настоящих органов. 3D Bioprinting Solutions забирает стволовые клетки из жировой ткани и соединяет их гидрогелем. В финале печати гидрогель растворяется, и остаются только клетки, образующие живую ткань. Компании удалось сделать первую в мире мышиную щитовидную железу, которая была успешно имплантирована подопытному животному.

У российской компании поистине космические планы. В 2018 году 3D Bioprinting Solutions начала эксперимент по биопечати в космосе. Невесомость позволяет клеткам более прочно соединяться друг с другом, чем в земных условиях. Для проведения испытаний компания отправила на Международную космическую станцию свое устройство «Орган.Авт». Принтер уже напечатал в невесомости органные конструкты хряща и щитовидной железы. В будущем напечатанные в космосе органы могут доставлять прямо в клинику на Земле, где их будут пересаживать нуждающимся людям.

Бок о бок с компьютером

Но выращивание и печать органов — лишь малая часть технологий, над которыми сегодня работают ученые. Разработчики ищут способы лечить заболевания, связанные с повреждениями мозга и опорно-двигательного аппарата. Это позволит облегчить и продлить жизнь миллионам людей, страдающих параличом, ДЦП, болезнью Альцгеймера и Паркинсона, рассеянным склерозом и другими серьезными заболеваниями.

В 2004 году Мэттью Нэгл стал первым человеком, который использовал нейрокомпьютерный интерфейс. Он был почти полностью парализован ниже шеи из-за ножевого ранения, которое повредило спинной мозг. В надежде вернуться к нормальному образу жизни Нэгл согласился участвовать в испытании нейроинтерфейса BrainGate от компании Cyberkinetics.

Во время операции хирург поместил нейрочип с 96 электродами прямо на поверхность мозга, над той его областью, что контролирует движение левой руки. Нейрочип дал Нэглу возможность мысленно управлять курсором компьютерной мыши, переключать каналы телевизора и проверять электронную почту. Его также обучили посылать команды роботизированной руке. Нэгл стал первым человеком, в мозг которого вживили нейрочип.

Нейроинтерфейсы уже помогают в реабилитации людям, которые не могут ходить. В 2016 году бразильские исследователи протестировали роботизированные приводы, которые одновременно считывали сигналы ЭЭГ и могли посылать сигналы в мозг пациентов, создавая тактильные ощущения. Восемь испытуемых с травмами позвоночника в течение года тренировались ходить внутри виртуальной реальности. В результате пациенты стали лучше воспринимать ощущения, а к половине из них даже частично вернулась способность двигаться.

В 2020 году компания Илона Маска Neuralink представила инвазивный (то есть вживляемый прямо в мозг) нейроинтерфейс, напоминающий то, чем пользовался Мэттью Нэгл. Но на этот раз внутрь мозга планируют внедрить не 96, а 1024 электрода. По замыслу разработчиков, нейрочип должен помочь человеку мысленно вводить текст и управлять компьютером.

«Хотя чтение мыслей в обычном понимании этого слова невозможно, нейротехнологии могут помочь записать биоэлектрическую активность мозга, — говорит представитель компании i-BrainTech Геннадий Коваленко. — Если появится подходящий математический аппарат, который позволит раскодировать эту активность, мы сможем определить, как пациент реагирует на те или иные раздражители, например, на таблички с буквами. Так мы сможем понять, о чем думает человек, который лишен возможности говорить и двигаться».

Нейроинтерфейсы i-BrainTech помогают в реабилитации людям, перенесшим инсульт. Еще российская компания работает над системой, которая способна улучшать спортивные результаты. Устройства считывают сигналы мозга и распознают, какие именно движения воображает человек. Спортсмен может тренироваться внутри виртуальной среды, не двигаясь в реальности. Это поможет быстро восстанавливаться после спортивных травм или даже инсульта.

Ученые, которые исследуют работу мозга, активно развивают искусственный интеллект. «Лаборатория Касперского» совместно с новосибирской компанией «Мотив» создали прототип нейроморфного процессора, архитектура которого напоминает связанные нервные клетки. Российский нейрочип получил название «Алтай». Вживлять в мозг его не будут: «Алтай» предназначен для ускорения работы систем с искусственным интеллектом. Чип позволит обрабатывать большие объемы данных и предоставит нейросетям возможность дообучаться в процессе работы. Процессор можно будет встраивать в системы машинного зрения и распознавания речи. Однако разработчики указывают, что сферы его применения гораздо шире: интернет вещей, системы безопасности, робототехника и беспилотники.

Такие технологии помогут улучшить считывание и расшифровку сигналов головного мозга, что позволит пациентам ловко управлять роботизированными конечностями и даже экзоскелетами. Именно поэтому нейроинтерфейсы тесно связаны с технологиями протезирования и создания искусственных органов чувств.

Глаз-алмаз

В мире живут десятки миллионов людей, которые потеряли хотя бы одну конечность, и их число постоянно растет. Чтобы хотя бы частично вернуть способность передвигаться и пользоваться бытовыми вещами, они вынуждены использовать протезы.

Однако хороший протез доступен не каждому. Стоимость качественного протеза может достигать трех миллионов долларов, но даже если пациент располагает нужной суммой, это может не решить проблему. От постоянного ношения искусственной конечности у многих возникают осложнения. Примерно половина пациентов отказываются от протезов из-за проблем с кожей, отеков, нарушения работы суставов или частых переломов, которые вызывают протезы. Именно поэтому ученые работают над созданием бионических протезов, которые способны заменить утраченные органы без неприятных последствий.

К бионике относят любую технологию, которая имитирует живую природу. В медицинской бионике можно выделить три главных направления: зрение, слух и ортопедия. Бионические глаза пока далеки от совершенства, однако уже изобретены прототипы, которые способны передавать визуальные ощущения. Даже полностью ослепшие люди могут различать свет и темноту, видеть силуэты и даже форму предметов.

Например, калифорнийская компания Second Sight Medical Products создала протез сетчатки Argus II. Он состоит из имплантируемого в глаз устройства и камеры, которая устанавливается на очки. Это помогает не только видеть свет, но и замечать движение. Некоторым пациентам из России уже установили бионический глаз, что позволило им частично вернуть зрение. Один из пациентов даже смог рассмотреть силуэт своей дочери.

«Как только расшифруют все электрические сигналы, по которым передается информация в наш мозг, можно будет создавать искусственные органы чувств. Исходя из того, что наука и технологии сейчас шагают семимильными шагами, я думаю, пройдет 20-30 лет, и незрячие смогут обрести полноценное зрение», — уверен Максим Спиридонов, программист из компании Oriense, разрабатывающей GPS-навигатор для незрячих.

Бионические импланты облегчат жизнь не только незрячим, но и глухим. Устройства для восстановления полностью потерянного слуха встраиваются либо во внутреннее ухо, либо в ствол мозга. Эта технология благодаря своей простоте развивается быстрее, чем бионические глаза, и сейчас уже создано внушительное количество слуховых имплантов. На международном рынке доминируют Cochlear Limited (Австралия), Advanced Bionics (США), швейцарская компания Sonova и MED-EL (Австрия).

Твердая рука помощи

Хотя протезы рук и ног существуют издревле, пока ни один из них не способен полностью заменить потерянную конечность. Обычные протезы не передают человеку ощущения от прикосновений, поэтому их невозможно воспринимать как часть собственного тела.

Однако эта проблема решаема. Уже разработаны протезы, которые ощущаются человеком как часть тела. Бионическая конечность прикрепляется к «гнезду», вживленному в кость, в результате чего возникает естественная связь с устройством. Через мельчайшие вибрации, которые передаются на живую кость, человек может определить поверхность, по которой идет.

«Моторика» — один из главных производителей бионических протезов в России. Они снабжают устройства электроникой, элементами робототехники и даже машинным интеллектом. Такой протез анализирует электрические импульсы в мышцах, распознает фантомные жесты, то есть движения, которые выполняла бы ампутированная рука, и повторяет их.

Существуют и протезы, которые полностью управляются ИИ, а не человеком, который их использует. Именно такое устройство разработала российская компания MaxBionic. Бионическая кисть MeHandS фиксирует напряжение мышц в предплечье и принимает нужное положение. Однако порой такие протезы могут подавать ошибочные команды и, например, разжать ладонь из-за случайного напряжения в руке. Однако ИИ распознает такие случаи и отдает протезу правильные команды.

Помощь нужна и здоровым людям. В мире уже ведутся разработки экзоскелетов, которые способны увеличить физические возможности человека: например, будут помогать ему поднимать тяжелые грузы. Такие роботизированные экзоскелеты могут получить широкое применение в промышленности, но не только. По словам Ильи Чеха, в них заинтересованы еще и силовые ведомства.

Глава «Моторики» предрекает, что по мере развития технологий такие экзоскелеты будут находить новые сферы применения: «VR-решения, которые мы используем для реабилитации, в перспективе будут использоваться в гейминге, они станут обеспечивать игроков новым опытом и ощущениями».

В будущем протезы получат еще больше возможностей. Одновременно они станут дешевле и доступнее. Ожидается, что в этом помогут аддитивные технологии — 3D-печать, которая позволит быстро сконструировать бионический протез индивидуально под пользователя. Это решит проблему осложнений и неудобства при использовании протезов, которую их обладатели испытывают сейчас.

Заменит ли искусственный интеллект человека?

Часто люди теряют конечности из-за заболеваний, которые можно вовремя предупредить. Примерно 70 процентов всех ампутаций в мире связано с сахарным диабетом второго типа. Поэтому важно отслеживать состояние своего здоровья, и помочь в этом может цифровая медицина.

Современная медицина способна предугадывать болезни. В этом помогают умные приборы, которые стали популярны у россиян в последние годы. Например, набирают популярность мониторы для людей с диабетом и пациентов с заболеваниями почек. С помощью носимых устройств врачи на расстоянии могут контролировать состояние пациентов. В результате больше людей получают значительно более качественную помощь, чем если бы все они ходили в поликлинику.

«Гаджеты служат удобным способом профилактики заболеваний, поэтому очевидно, почему они так популярны», — объясняет технический директор Engy Health Борис Школьников. По его мнению, с развитием медицины такие устройства приобретут особую ценность: «В ближайшем будущем они станут просто незаметными: это будут ткани, поверхности, инвазивные импланты».

Разумеется, гаджеты не смогут полностью заменить врача. Но носимые устройства помогут медработникам отслеживать состояние пациента без лишних тестов и измерений. В результате доктор получит больше информации и сможет составить корректный план лечения. Главным помощником врача станет искусственный интеллект, который способен заметить то, что может упустить человек.

«В обозримом будущем искусственный интеллект — не более чем ассистент врача, который помогает избегать ошибок, правильно планировать лечение и даже, возможно, это лечение осуществлять. Еще очень далеко до того времени, когда появится искусственный эмоциональный интеллект, который будет относиться к пациенту как к человеку со всеми его страхами и понимать его чувства, а не просто лечить его в соответствии с клиническими протоколами», — убежден основатель Diagnocat AI Владимир Александровский. Профессия врача — одна из последних, которую когда-либо заместит машинный труд, считает он.

Однако в будущем искусственный интеллект станет настолько мощным инструментом, что изменит медицину до неузнаваемости. Он научится анализировать медицинские снимки, в том числе рентгеновские, УЗИ и томографию. Некоторые системы уже способны распознавать первые признаки диабетического ретинита по снимкам сетчатки, умеют отличать безвредные родинки от агрессивной меланомы. ИИ даже может заметить рак во внутренних органах и другие патологии.

Умные системы способны выявить признаки рака легких с точностью до 95 процентов, проанализировав снимки. Разработкой таких решений в России занимается «Национальная база медицинских знаний» (НБМЗ). В одной из ее компаний — Botkin.AI — придумали систему анализа томографических изображений, маммографии и рентгенографии.

Иногда сервисы для врачей создают сами врачи — как в случае со стоматологом Владимиром Александровским. Он заметил проблему: стоматологи не всегда могут увидеть на КТ точное число каналов зуба. Но если пропустить какой-нибудь канал и не вылечить, зуб может воспалиться. Тогда Александровский придумал сервис для автоматического анализа КТ-снимков зубов — Diagnocat. Стоматолог может сделать снимок, загрузить его в сервис и через несколько минут получить отчет о состоянии каждого зуба. Проект понравился основателям и разработчикам известного приложения MSQRD, которые в то время работали в Facebook и инвестировали в стартапы. Они стали менторами и соинвесторами Diagnocat.

«В медицине будет полностью устранен человеческий фактор. Большие данные, искусственный интеллект и другие цифровые технологии предотвратят возможные врачебные ошибки. Медицина будет очень доступной, многие болезни врачи смогут лечить либо амбулаторно, либо вообще на дому», — предсказывает Владимир Александровский.

***
Современные технологии помогают менять медицину практически по всем направлениям. Медицина будущего — это не только короткие очереди к врачу и качественная медпомощь в нужное время и в нужном месте.

Благодаря умным гаджетам пациенты смогут вовремя обратить внимание на первые признаки проблем со здоровьем и незамедлительно получить врачебную консультацию. Телемедицина сотрет границы между городами и позволит обратиться за помощью в специализированные центры, находящихся в других городах.

Уже через несколько десятков лет ученые могут получить первый полноценный орган, выращенный искусственно и пригодный для пересадки человеку. Наступит новая эра в трансплантологии, когда пациенты больше не будут ждать в очереди донорские органы, пытаясь выиграть в лотерею долгую жизнь.

Люди с инвалидностью обретут возможность полноценно жить, получив полнофункциональные и недорогие искусственные конечности. И даже те, кто не способен двигаться, смогут обрести возможность управлять предметами вокруг себя, играть и развиваться — через продвинутые нейроинтерфейсы.

На первый взгляд это кажется несбыточной мечтой, но все эти технологии уже существуют, какие-то в зачаточном виде, а какие-то активно развиваются. Поэтому такое будущее — лишь вопрос времени.