Темпы научно-технического прогресса поразительны, и это касается всех сфер человеческой жизни, включая медицину. Хотя пока не удалось побороть все смертельные заболевания, но исследовательские команды всего мира стремятся облегчить страдания больных и находятся на беспрецедентном уровне увеличения продолжительности жизни. На помощь им приходят инновационные и казавшиеся ранее фантастическими методы. Искусственный интеллект, редактирование ДНК, мозговые импланты — лишь малая часть трендов здравоохранения последних лет. «Лента.ру» рассказывает о главных медицинских открытиях и направлениях 2022 года.
Альтернатива антибиотикам
С момента открытия антибиотиков в XX веке положение человека, зараженного бактериальной инфекцией, существенно изменилось. Если раньше реально было погибнуть, скажем, от пореза пальца, ранения или неудачно проведенной операции (можно вообразить, насколько часто это происходило), то теперь риск умереть от таких причин минимален благодаря антибиотикам. Спектр их применения начинается от сельского хозяйства до лечения различных болезней, вызванных бактериальными, грибковыми и протозойными патогенами. Однако основной проблемой антибиотиков является то, что бактерии научились вырабатывать устойчивость к их воздействию.
В ноябре 2022 года международная исследовательская команда из авторитетного научного журнала The Lancet пришла к выводу, что вторая по распространенности причина смертности в мире в 2019 году (13,6 процента, или 7,7 миллиона человек) была связана с бактериальными инфекциями. Большая часть этих случаев произошла из-за заражения золотистым стафилококком, кишечной палочкой, пневмококком Streptococcus pneumoniae, пневмококковой клебсиеллой и синегнойной палочкой.
В последнем докладе Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), основанном на данных, полученных из 87 стран в 2020 году, специалисты сообщают о высоком уровне резистентности патогенных бактерий и о растущей устойчивости к терапии антибиотиками.
погибли от бактериальных инфекций в мире за 2019 год
Отчет Глобальной системы наблюдения за устойчивостью к противомикробным препаратам и их использованием (GLASS) впервые проиллюстрировал показатели устойчивости к противомикробным препаратам (УПП) с 2017 года. Исследование выявило, что свыше 50 процентов бактерий, вызывающих развитие инфекций кровотока в больничной среде, например Klebsiella pneumoniae и Acinetobacter spp, достигли резистентности. На эти патогены возможно воздействовать антибиотиками последнего резерва. При этом для восьми процентов болезней, вызванных Klebsiella pneumoniae, даже такие препараты неэффективны, что увеличивает риск смерти от неконтролируемых бактериальных инфекций.
Более 60 процентов Neisseria gonorrhoea — возбудителя распространенного заболевания, передаваемого половым путем, — устойчивы к популярному оральному противомикробному препарату — ципрофлоксацину. А свыше 20 процентов бактерий E. coli, вызывающих инфекции мочевыводящих путей, были резистентны как к препаратам первой линии (aмпициллину и ко-тримоксазолу), так и к лекарственным средствам второй линии (фторхинолонам).
Многообещающее направление по уничтожению устойчивых бактерий — воздействие на них бактериофагами, или просто фагами. Эти маленькие вирусы, которые повсюду присутствуют в естественной среде, способны атаковать бактерии, оставаясь при этом абсолютно безопасными для человека. Их открыли в конце XIX века, однако они не получили тогда распространения из-за скорого появления антибиотиков. Теперь исследование и применение бактериофагов на практике обрело новый виток.
Фаги размножаются в бактериальных клетках и вызывают в них лизис, то есть растворение. Вместе с тем они участвуют в контроле экспрессии генов микроорганизмов, изменяют состав, динамику и активность, а также влияют на их эволюцию. Недавно специалисты из Университета Макмастера (Канада) представили уникальный дезинфицирующий спрей для очистки пищевых продуктов на основе бактериофагов. Для этого миллионы вирусов поместили в крошечные гранулы, которые затем развели в жидкости для удобства использования.
Разработка позволяет избавиться от опасных бактерий, вызывающих отравление, причем потребительские свойства пищи не меняются. В результате экспериментов раствор протестировали на E. coli 0157 (кишечная палочка), находившейся в салате и мясе. Спрей показал высокую эффективность, поэтому в дальнейшем его планируют использовать и против других патогенов, например сальмонеллы и листерии. Предполагается возможность внедрения технологии в сферу медицины, таким образом можно будет дезинфицировать раны.
Бактериофаг
Крошечные вирусы, вызывающие лизис у бактерий. Фото: Shutterstock
При этом бактериофаги не единственная альтернатива антибиотикам. В естественных условиях удается обнаружить перспективные соединения, разрушающие резистентные микроорганизмы. Так, сотрудники Университета Портсмута и Университетов Наресуан и Пибулсонграм Раджабхат в Таиланде еще в июле 2022 опубликовали исследование о гидрохинине, веществе, которое выделили из коры деревьев. Ранее гидрохинин применялся для лечения малярии, а его антибактериальные свойства никогда не изучались. Ряд экспериментов показал эффективную реакцию с штаммами Pseudomonas aeruginosa (синегнойная палочка). Соединение изменило уровни экспрессии факторов, ответственные за агрессивность бактерии, и повлияло на ее распространение и накопление. На основе гидрохинина планируется разработать препарат, который можно комбинировать с уже существующими антибиотиками, чтобы сделать их более действенными.
GARDP планирует создать и вывести на рынок до четырех новых антибиотиков
Открытие таких антибактериальных соединений в окружающей среде вовсе не редкость — порой они обнаруживаются и в живых существах. Бразильские ученые нашли биологически активные вещества в морской губке Agelas dispar, живущей на архипелаге Фернанду-ди-Норонья. Три различных типа агелиферина уничтожили устойчивые бактерии E. coli и Enterococcus faecalis, золотистый стафилококк, пневмококк Klebsiella, Acinetobacter baumannii и синегнойную палочку.
Иногда получается использовать уже существующие ресурсы человеческого организма. Сотрудники Университета Миннесоты выделили из слюны пептид BPIFA2, обладающий антибактериальными свойствами. Испытания предполагали тестирование «левосторонней» (LGL13K) и «правосторонней» (DGL13K) версии пептида в отношении грамотрицательных и резистентных к лекарствам бактерий. Оба уничтожили грамотрицательные бактерии (Pseudomonas aeruginosa, Klebsiella pneumoniae и Acinetobacter baumannii) без стимулирования устойчивости.
Несмотря на то что создать принципиально новые классы антибиотиков с 60-х годов прошлого века было довольно сложной задачей, некоторые продвижения все равно присутствуют. С помощью нейросети удалось получить новый препарат цилагицин, способный воздействовать даже на устойчивые к лекарственным препаратам бактерии, например на Clostridium difficile или на метициллин-резистентный золотистый стафилококк.
Бактерия кишечной палочки Escherichia coli
Фото: Christopher Pooley / USDA / Wikipedia
А в Университете Умео (Швеция) и Школе медицины Вашингтонского университета (США) представили новый класс антибиотиков GmPcides, состоящий из соединений, в основе каркаса которых лежит 2-пиридон — ароматический гетероцикл. Такие лекарства обладают бактериостатической активностью в отношении энтерококков, резистентных к ванкомицину.
Глобальное партнерство по научным исследованиям и разработке антибиотиков (GARDP), которое является объединением ВОЗ и Инициативы по лекарственным средствам против забытых болезней, поддерживает исследования и разработки государственно-частных представительств. К 2023 году они планируют создать и вывести на рынок до четырех новых лекарственных препаратов за счет совершенствования существующих антибиотиков и ускоренной разработки новых.
Вечное сияние разума
Одной из популярнейших тем исследований была и остается борьба со старением. Несмотря на такое всеобъемлющее понятие, оно подразумевает вполне конкретные направления — это замедление клеточных повреждений, что приводит к соответствующим болезням тела и мозга, а также изучение механизмов различных состояний, формирующих деградацию организма для их профилактики, ранней диагностики и лечения.
Повреждение клеток может быть обусловлено избытком свободных радикалов, которые формируются в результате многочисленных химических реакций, среди которых могут быть окислительные процессы. Это приводит к всевозможным заболеваниям, в частности раковым опухолям, артриту, катаракте или болезням сердечно-сосудистой системы. Часто для защиты от свободных радикалов применяют антиоксиданты, предотвращающие окислительные реакции.
Российские ученые из МГУТУ имени Разумовского (ПКУ) разработали оптимизированный способ сокращения свободных радикалов. Они представили модель оценки и расчета массы соединений, которые поступают вместе с пищей, необходимые для удаления свободных радикалов. С ее помощью можно выявить точное количество необходимых антиоксидантов в рационе для нейтрализации этих частиц.
При этом существуют препараты, направленные непосредственно на уничтожение избытка свободных радикалов. В Университете Висконсин-Мэдисон модернизировали ранее созданную технологию, которая подразумевает формирование защитной оболочки вокруг пробиотиков Escherichia coli Nissle 1917 для их защиты от экстремальной среды желудка. Оптимизация заключается в введении наночастиц для нейтрализации молекул, ответственных за воспалительные процессы. В сочетании с пробиотиками эта разработка может значительно улучшить и упростить терапию воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК).
Антиоксидантами богаты различные фрукты и овощи
Больше всего антиоксидантов можно найти в таких продуктах, как ягоды (особенно в чернике, ежевике, малине, вишне и землянике); брюссельская капуста и брокколи; в кофе; в темном шоколаде и какао. Фото: Shutterstock
Благодаря антиоксидантам оказалось возможным замедлить развитие деменции. Люди с более высоким уровнем антиоксидантов в крови имеют меньший риск появления болезни Альцгеймера. Результаты 16-летнего исследования показали, что у пациентов с самыми высокими уровнями лютеина, зеаксантина и бета-криптоксантина вероятность заболеть деменцией снижалась на семь процентов, а бета-криптоксантин уменьшил шансы на 14 процентов по сравнению с участниками с наиболее низкими показателями.
Еще в одной работе выяснилось, что прием таурина в количестве 500 миллиграммов в день в течение 16 недель помогает увеличить количество антиоксидантов (супероксиддисмутазы) на 20 процентов, в отличие от контрольной группы, где эти показатели уменьшились на 3,5 процента.
При приеме 500 миллиграммов таурина в день количество антиоксидантов увеличивается на 20 процентов
Бороться с клеточными нарушениями возможно не только с помощью антиоксидантов. Группа специалистов из университета Валенсии разработала технологию сокращения признаков старения, основанную на вводе внеклеточных везикул. Эти структуры формируются в эукариотических клетках, ответственных за передачу сигналов между клетками и транспортировку матричных РНК. Ученые предположили, что процесс старения может быть связан с ухудшением связи между клетками.
В испытаниях на мышах они выделили стволовые клетки из жировой ткани у молодых подопытных животных и отобрали из них экзосомы, после чего вводили их пожилым подопытным два раза с интервалом в неделю. У возрастных испытуемых повысилась координация в пространстве и общая активность. Наилучший результат проявился примерно через месяц после первой инъекции и полностью исчез через 60 дней. Дальнейшее изучение показало уменьшение разрушения почечной ткани и стимуляцию выработки клеток. Кроме того, у них снизились биомаркеры воспаления и произошло эпигенетическое омоложение некоторых тканей.
Процесс разрушения клетки свободными радикалами
Свободные радикалы — важные окислители в организме человека, необходимые в процессе метаболизма, но в случае избытка приводят к дезорганизации всех структур клеток и их гибели
Омолодить клетки на 30 лет (на основе эпигенетических меток ДНК и совокупности всех генов, синтезируемых клеткой) удалось ученым Института Бабрахама в Великобритании. Они перепрограммировали старые клетки, с помощью чего получилось частично восстановить их функции и привести молекулярные показатели биологического возраста в более «молодое» состояние.
Пока все эти способы не внедрили в повседневную клиническую практику, остается ориентироваться на методы профилактики и ранней диагностики заболеваний, сопутствующих старению.
К счастью, предсказать деменцию стало возможно задолго до ее симптоматических проявлений, например диагностировать болезнь Альцгеймера реально даже по анализу крови. Кроме того, масса научных трудов направлена на выявление факторов, провоцирующих такие состояния.
Занятия музыкой и чтение сокращают риск деменции на 23 процента
Причем, как бы банально это ни звучало, но подавляющее большинство патологических состояний можно избежать или отсрочить придерживаясь определенного питания, образа жизни и здорового режима сна. Это иллюстрирует метаанализ, состоящий из 28 полноценных исследований: люди, практикующие письмо или чтение ради удовольствия, изготавливающие поделки, занимающиеся играми или музыкой, имели риск развития деменции на 23 процента ниже, чем добровольцы не имеющие подобных хобби. А физические нагрузки, включающие ходьбу, бег, плавание, езду на велосипеде, занятия спортом, йогу и танцы, на 17 процентов уменьшали вероятность появления слабоумия.
Генетическое редактирование
Работа генных инженеров значительно эволюционировала после появления генетического редактора CRISPR/Cas9, в честь чего была вручена Нобелевская премия по химии в 2020 году. Теперь изменять фрагменты ДНК стало несравнимо быстрее и эффективнее, что сопоставимо с ездой на автомобиле, если вы до этого могли передвигаться только пешком. Этот инструмент представляет собой своеобразные генетические ножницы, с помощью которых можно ломать, чинить или заменять практически любой участок генома. На практике таким образом реально вылечить многие заболевания, даже онкологические, — в таком случае применяют хромосомную перестройку.
Недавно, применив систему CRISPR, в Медицинской школе Вашингтонского университета в Сент-Луисе предложили новый способ лечения нейродегенеративных заболеваний. Ученые заблокировали молекулу SARM1 — фермент, который формируется в нейронах и вызывает дегенерацию аксонов (отростков нервных клеток, передающие импульсы к другим таким же клеткам). Генетический редактор воссоздал модель редкого синдрома прогрессирующей нейропатии. В результате выявились новые детали, на которые следует ориентироваться при лечении.
Генетический редактор CRISPR/Cas9
При точечном воздействии на определенный участок удаляются или добавляются спаренные основания, что нарушает первоначальную последовательность ДНК, позволяя придать гену желаемые свойства
Придать интересующие свойства ДНК можно не только для человека или животных. Этот метод давно используется и в сельском хозяйстве. Китайские и немецкие специалисты смогли увеличить урожайность кукурузы (на десять процентов) и риса (на восемь) путем отключения одного определенного гена. Авторы подчеркивают, что таким образом можно вывести новые разновидности культур, устойчивых к изменениям климата. Примерно по той же технологии удалось создать томаты, которые содержат большое количество витамина D. Такие модифицированные овощи позволят решить проблему дефицита витамина у людей во всем мире. Причем блокировка конкретного фермента не влияет на рост, развитие или урожайность томата.
Основной момент системы CRISPR, вызывающий опасения, заключается в том, что механизм работы молекул зачастую может воздействовать на состояние всего генома организма, создавая вероятность появления опасной генетической мутации в незапланированных сегментах. Поэтому регулярно проводятся исследования по модернизации этого метода. Например, в Техасском университете в Остине предложили переработать белок SuperFi-Cas9, что позволило уменьшить риск мутации в соседних участках ДНК в тысячи раз, при этом сохраняя ту же эффективность, что и в предыдущих версиях системы. Такая ошибка возникала из-за того, что молекула при обнаружении несоответствия в определенных частях ДНК вместо игнорирования этого элемента и дальнейшего функционирования захватывала и удерживала ДНК, связываясь с ней так, как если бы это была корректная последовательность молекул.
Риск мутации в соседних участках ДНК при модификации белка SuperFi-Cas9 сокращается в тысячи раз
Вместе с тем разработан способ более деликатного редактирования, который впоследствии может применяться в человеческом геноме. Этот подход основан на естественном механизме восстановления поврежденной ДНК под названием «гомологичная рекомбинация». Он подразумевает обмен генетических последовательностей между двумя гомологичными хромосомами (копий одной и той же хромосомы, где одна досталась от матери, а другая — от отца). Часто пациенты с генетическими нарушениями имеют мутацию в одной из гомологичных хромосом. Идея авторов заключается в удалении мутантного гена, а затем внедрении нормального, скопированного из другой хромосомы.
Мозговые чипы
Будоражащая многих тема мозговых имплантов с каждым годом набирает обороты. Пока все устройства находятся на стадии испытаний или разработки, однако результаты более чем впечатляющие. В целом благая задумка прямой стимуляции мозга для решения самых различных задач, включая медицинские манипуляции, вызывает множество этических споров. С помощью нейрочипов исследователи планируют лечить различные заболевания мозга, такие как депрессия и болезнь Альцгеймера или Паркинсона, а также устранять хронические боли, помогать парализованным снова передвигаться и пользоваться конечностями, а незрячим — видеть.
Мозговой чип N1 от Neurallink
Разрабатывается для помощи парализованным людям и лицам с заболеваниями мозга. Фото: NEURALINK
Исследовательские команды активно спонсируются не только частными предпринимателями, но и государством. Самым нашумевшим проектом стал, пожалуй, стартап бизнесмена Илона Маска Neuralink. Компания рассчитывает создать чип, который должен помочь пациентам с ограниченными возможностями использовать современные технологии, например, выходить в интернет прямо из мозга. Однако пока до тестов на людях сотрудникам Neuralink далеко — все испытания проводились только на животных, а в начале года организация попала в крупный скандал, связанный с неэтичным обращением с подопытными.
Эксперименты компании Synchron в совместной работе с университетом Мельбурна, стартовавшие в 2016 году, позволили испытуемым переписываться в WhatsApp и совершать онлайн-покупки силой мысли. В этом году нейроинтерфейс был впервые имплантирован человеку в США, где достаточно строгое законодательство.
Чип Stentrode от компании Synchron
Позволяет напрямую взаимодействовать с интерфейсами компьютерных устройств и подключаться к высокотехнологичным протезам
Соучредитель и главный исполнительный директор Synchron, доктор Том Оксли заявил о планах провести операции по вживлению до 16 Stentrode в 2023 году. Большинство чипов намерены использовать на людях с боковым амиотрофическим склерозом. Кроме того, ученые считают, что их устройство может быть применено на людях, переживших инсульт и травмы спинного мозга, а также больных рассеянным склерозом.
планируют вживить в 2023 году
В сентябре стало известно о результатах испытаний специалистов из Сент-Луиса при поддержке нейротехнологической компании Inner Cosmos по лечению депрессии путем электростимуляции. Само устройство имплантировалось только в кость черепа, а не сам мозг. Это позволило сократить время реабилитации, а также не так сильно пугает потенциальных пользователей. Пациенту в течение 15 минут в день подавались электроимпульсы в дорсолатеральную префронтальную кору, а затем измерялась активность нейронов, чтобы оценить и впоследствии скорректировать продолжительность воздействия. Работу планируют продолжать в течение года и увеличить число участников с целью выявления наиболее эффективной для стимуляции части мозга.
Подобные наработки ведутся и в России. Исследователи из фонда поддержки слепоглухих «Со-единение» и некоммерческой Лаборатории «Сенсор-Тех» разработали устройство, активизирующее различные органы чувств — например, зрение или слух. Мозговой имплантат хотят использовать на пациентах с различными неврологическими расстройствами (синдром Туретта, болезнь Паркинсона, тремор или хронический болевой синдром). Недавно нейрочипы прошли последнюю стадию испытаний на обезьянах, а к 2024 году специалисты хотят перейти к экспериментам с добровольцами.
Нейросеть в белом халате
До практического и повсеместного применения нейрочипов в рутинной практике еще далеко, да и вообще оно под вопросом, но футуристичные технологии уже плотно вошли в медицинскую повседневность. В данном случае речь об искусственном интеллекте (ИИ), который помогает не только разрабатывать новые лекарства, но и диагностировать заболевания.
Причем это происходит не «где-то там», а в российских реалиях. В отечественных больницах решили внедрить нейросеть в отделения реанимации и интенсивной терапии. Этот инструмент ассистирует врачам Сеченовского университета и «предсказывает риски пациентов, лежащих в реанимации, позволяя медикам вовремя среагировать и избежать тяжелых последствий».
Один из важных дополнительных эффектов — это положительное влияние на психоэмоциональное состояние медицинского персонала за счет общего снижения нагрузки и уменьшения возникновения критических состояний
А в клинике Майо тоже используют искусственный интеллект для помощи акушерам-гинекологам при родах: алгоритм может вычислить вероятность успешных естественных родов и необходимость кесарева сечения.
Искусственный интеллект применяют для выявления рака на основании данных компьютерной томографии или ультразвуковой эластографии. В последнем случае в зависимости от уровня давления ткани на искусственные нейроны устройство может обнаруживать даже небольшие различия в клетках и передавать их в виде электрических импульсов. Затем нейросеть определяет жесткость ткани, которая обуславливается здоровыми участками и злокачественными новообразованиями. Точность метода достигает 95,8 процента. Этот способ позволяет исключить человеческий фактор при анализе имеющейся информации и диагностировать онкологические заболевания на более ранних стадиях.
Искусственный интеллект может диагностировать заболевание по данным ЭЭГ или КТ
Фото: Getty Images
Кроме того, отечественные исследователи из СПбГУ представили нейросеть для выявления бессудорожных эпилептических припадков, основываясь на данных электроэнцефалографии (ЭЭГ). Результаты диагностики алгоритма и медиков совпали в 80 процентах случаев. Примерно таким же путем нейросеть из Центра исследований сердечно-сосудистых заболеваний при Массачусетской больнице общего профиля помогает обнаруживать сердечно-сосудистые болезни по рентгеновскому снимку грудной клетки.
В Ставропольском государственном медицинском университете с помощью нейросети разработали антибактериальные препараты для устойчивых к антибиотикам бактериям. Конечно, компьютерные алгоритмы пока не заменяют человеческую работу полностью, но существенно ее упрощают и ускоряют, указывая на молекулы с интересующими свойствами.
Впрочем, подобные технологии могут быть использованы не только во благо. Так, в компании Collaborations Pharmaceuticals, которая занимается созданием интерфейсов для фармацевтических компаний, рассказали об опасности, которую несут в себе подобные модели. Изначально основная задача программы MegaSyn заключалась в разработке новых лекарств и выявлении токсического воздействия препаратов во избежание нежелательных эффектов. Однако в исследовательских целях нейросеть перепрограммировали не на уничтожение, а на поиск ядовитых соединений. Тогда искусственный интеллект за шесть часов сгенерировал около 40 тысяч опасных молекул, которые по своей токсичности превосходили существующее химическое оружие. Авторы предупредили об опасности научное сообщество и призвали поднять вопрос об обмене данными и информированности в международном пространстве.