Разработчики цифровых технологий в здравоохранении не перестают нас удивлять чуть ли не каждый день. Нередко описания работы таких систем звучат как отрывки из научно-фантастического романа.
Нанороботы, редактирование человеческих генов, пищевые сканеры, искусственные человеческие органы и биопринтинг - все это существующие сегодня цифровые технологии здравоохранения, о которых мы уже писали в свое время. Однако они все еще относятся к категории "слишком футуристических", поскольку будущее, в котором они станут обычным явлением, наступит через несколько десятилетий, и мы, возможно, даже не успеем с этим столкнуться.
И это не только потому, что лежащие в их основе технологии все еще находятся в зачаточном состоянии, но и потому, что область цифрового здравоохранения сталкивается с рядом проблем, которые необходимо преодолеть, прежде чем обратиться к этим технологиям.
Здесь мы рассмотрим некоторые из таких технологий цифрового здравоохранения, которые не скоро появятся в кабинете врача или в доме пациента, обсудим насколько далеким является их будущее и что должно произойти, прежде чем мы увидим их на практике.
Нанороботы
Еще в 2015 году появилась информация об идее разработки микроскопических роботов, которые смогут измерять параметры нашего здоровья и диагностировать заболевания. Такие устрйоства смогут помочь расширить границы наших знаний биологии и анатомии, улучшить возможности доставки лекарств и проводить тонкие локализованные хирургические операции. Эти нанороботы, утверждали ученые, смогут, вероятно, создавать сеть, общаться друг с другом, идентифицировать признаки, связанные со здоровьем и автоматически предпринимать корректирующие действия. Список приложений очень большой - это генетическая терапия, биологические исследования, внутриклеточные сенсоры и многое другое.
С тех пор прошло шесть лет и практически все разрабатываемые нанороботы были созданы только в исследовательских лабораториях и представляли собой скорее доказательство концепции, чем решение для практического применения. Последние новости, связанные с этой технологией, все еще вращаются вокруг теоретических/концептуальных аспектов. Но именно так часто развиваются технологии цифрового здравоохранения: от концептуальных стадий в лабораториях, через различные итерации и стадии тестирования до внедрения в широкую аудиторию.
В ближайшие годы мы, вероятно, услышим о новых разработках в этой области. Но чтобы увидеть их в регулярной практике, нам потребуется четыре или более десятилетий.
Что касается разрабатываемых сегодня устройств, то мы познакомим вас с несколькими из них.
Микро-робот для целевой терапии
Это весьма перспективные, хотя и относительно новые типы медицинских роботов. Основой их работы является использование механических частиц, близких к микроскопическим, для локализации препарата или определенной терапии в конкретном целевом участке тела. Такая технология может быть использована для узконаправленного целевого облучения опухоли или просто для уменьшения побочных эффектов препарата, ограничивая его органом, в котором он может понадобиться.
Существует несколько возможных методов для доставки таких микрочастиц в цель, но в результате новых исследований появились микро-роботы с крошечными спиральными "двигателем", которые могут быть направлены магнитным полем для перемещения через кровеносные сосуды в определенное место в организме.
Наноробот - убийца опухоли
Ирландская компания Elbe Valley Medical разработала технологию, в основе которой находится нанобот, который блокирует кровоток в области тканей тела, окружающих опухоли.
Когда находящиеся в крови миниатюрные устройства оказываются в области вокруг опухоли, а цель им указывается радиочастотными волнами, они начинаю расправлять "щупальцы", похожие на опоры посадочного модуля лунной экспедиции, что позволяет закрепить нанобота в капилляре и заблокировать "его телом" кровоток, т.е. вызвать окклюзию на уровне кровеносных капилляров в интересующей ткани. Это приводит к увеличению гипоксии в опухоли и, в конечном счете, к ее умиранию. Лечение контролируется с помощью технологии МРТ.
Затем радиоволновое поле отключается, "щупальцы" наноробота убираются и возобновляется нормальное кровообращение.
Антибактериальные нанороботы
Антибактериальные боты изготовлены из крошечных золотых нанопроволок и покрыты красными кровяными тельцами, которые могут удалять бактериальные инфекции непосредственно из крови пациента. Они могут сделать это, имитируя бактерию и ее токсины, а затем привлекая и захватывая их в нано-сетку, когда бактерии подойдут ближе. Роботы также могут быть направлены через тело пациента с помощью специального ультразвука в определенное место для ускорения процесса очистки и лечения локализованных инфекций. Поскольку они используют естественную реакцию бактерий, нанороботы потенциально могут быть использованы вместо антибиотиков широкого спектра действия и могут оказать огромное влияние в нашей борьбе с ростом заболеваний, с которыми не могут справиться антибиотики.
Сканеры еды
Несколько лет назад мы писали о необычных устройствах, которые предназначены для быстрого анализа пищи, которую мы едим. В первую очередь они были предназначены для обнаружения аллергенов, которые для некоторых людей могут оказаться смертельно опасными.
Например, компания 6SensorLabs выпустила два портативных сканера Nima - датчик глютена и датчик арахиса. Они позволяют пользователю прямо на месте просканировать образец пищи на наличие соответствующего содержания. Тестирование показало, что они точны и практичны в использовании. Более того, их точность и удобство использования могут в буквальном смысле оказаться спасительными для людей, страдающих от пищевой аллергии.
Ключевым параметром Nima является скорость, чем он отличается от существующих на рынке тестов, которым требуется от 15 до 20 минут на определение наличия глютена. Nima такой тест делает за 2 минуты, что, вместе с его миниатюрностью, делает это устройство очень привлекательным для потребителей. Все, что пользователю нужно сделать, это поместить образец пищи в одноразовую капсулу и закрыть ее крышкой. Затем эта миниатюрная капсула помещается в сенсор, который включается нажатием кнопки.
Но затем 6SensorLabs в 2020 году была приобретена компанией по производству медицинского оборудования, а немногие существующие пользователи сообщают об отсутствии капсул для тестирования. Хотя их технология действительно является революционной, каждое устройства ограничено сканированием отдельных компонентов. Проблема в том, что есть пациенты, страдающие от большего количества пищевых аллергий, которым был бы скорее необходим один сканер, способный обнаружить несколько пищевых элементов.
Другие компании, вышедшие на потребительский рынок с собственными пищевыми сканерами, оказались не лучше. Израильская фирма Consumer Physics, чье портативное устройство Scio могло сканировать продукты питания и анализировать их химические составляющие, сместила акцент на сельскохозяйственную промышленность вместо того, чтобы улучшить свой существующий продукт. Карманный молекулярный сканер (спектрометр) SCio, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне, сканирует физические материалы для определения их молекулярной структуры и обнаружения специфических компонентов в пище
Компания TellSpec, чей портативный прибор, согласно обещаниям разработчиков, должен предоставлять информацию о содержащихся в пище аллергенах, химикатах, питательных веществах, калориях и ингредиентах, перестала выпускать пресс-релизы с 2018 года и, по всей видимости, не смогла выпустить ручной сканер продуктов питания, за который на Indiegogo проголосовало более 1700 человек.
Еще один израильский стартап Allerguard разработал небольшое устройство размером с пульт дистанционного управления телевизора, которое действует как своего рода виртуальный нос, нюхающий среду с целью обнаружения специфических аллергенов. Это совсем другой подход, чем у компании Nima, который требует, чтобы пользователи взяли образец твердой пищи и вставили его в портативное устройство.
Причина, по которой Nima нужен физический образец, заключается в том, что она проводит химический анализ белков в продуктах питания, которые являются твердыми веществами. Allerguard, напротив, "нюхает" тарелку, сканируя на наличие аллергенов в газообразной форме. Это устройство анализирует запах пищи, а затем предупреждает пользователя, когда обнаруживается определенный химический след. Это дает Allerguard одно важное преимущество: система может анализировать всю тарелку пищи.
Хотя в 2019 году разработчики даже назвали цену своего устройства для потребителей, на рынке он пока так и не появился - видимо, в технологии обнаружились какие-то проблемы.
Эта технология существует уже около десяти лет, и на рынке уже есть некоторые потребительские продукты. Но их применение ограничено, как и количество игроков в этой области. В ближайшее десятилетие, вероятно, следует ожидать появления большего количества сканеров, но все еще с ограниченным применением.
Роботизированные органы внутри тела
Идея замены износившихся органов нашего тела давно витает в воздухе. Группы разработчиков во всем мире пытаются найти подход к реализации этой задачи. Кто-то пытается создавать новые органы, "выращивая" их из собственных стволовых клеток пациента, другие пытается использовать одни клетки человека вместо других, заставляя их выполнять несвойственные им функции - так исследователи пытаются лечить потерявших зрение из-за гибели фоторецепторов людей, заставив другие клетки сетчатки глаз стать им заменой.
Команда исследователей в Великобритании и Нидерландах разрабатывает роботизированное сердце, которое может перекачивать кровь через кровеносную сеть, но при этом является мягким и податливым. Первая рабочая модель должна быть готова к имплантации у животных в течение ближайших 3 лет, а у человека - в течение ближайших 8 лет.
Это устройство, называемое гибридным сердцем, имеет несколько слоев: синтетический мягкий искусственный мышечный слой, достаточно сильный и гибкий, чтобы сжиматься и расширяться как сердечная мышца; внутренний подкладочный слой, который способен захватывать специфические клетки, чтобы затем последовательно создавать из них живую ткань, которая покрывает весь этот слой, и внешний сетчатый слой, покрытый собственными клетками пациента, чтобы уменьшить вероятность отторжения роботизированного сердца. Батарею для беспроводного электропитания устройства пациент носит в жилете или куртке, есть также дополнительная встроенная батарея меньшего размера, которая может поддерживать работу сердца в течение короткого периода времени, если пациент, например, принимает душ.
По задумке ученых, это может заменить необходимость пересадки человеческого сердца и дать надежду тем людям во всем мире, которые отчаянно ждут донорского органа.
Тест крови на основе лишь одной капли крови
Возможность прямо в кабинете лечащего врача сделать быстрый анализ крови на многочисленные заболевания, использовав лишь одну каплю крови пациента, давно будоражит умы исследователей, которые пытаются использовать различные технологии для решения этой задачи. Пока здесь больше неудач, чем достижений, но, похоже, все же решение уже близко.
Первый "блин" был, как полагается, комом и принес сплошные разочарования инвесторам. Стартап Theranos собрал миллионы инвестиций после обещания провести 30 лабораторных тестов на одной капле крови. В итоге это оказалось мошенничеством, но если снизить ожидания, то сегодня уже можно провести несколько тестов на небольших образцах крови вместо одной капли крови.
Например, из небольшого объема крови технология Genalyte, уже сертифицированная в США, может проводить несколько одновременных экспресс-тестов и выдавать результат в течение 20 минут.
Это платформа, позволяющая количественно оценить содержание различных биомолекул, таких как антитела, белки и т.п. с помощью силиконовых фотонных биосенсоров, которые работают за счет обнаружения изменений взаимодействия света внутри сенсора и вещества на поверхности датчика. Эта технология также используется исследователями для мониторинга автоиммунных заболеваний, отслеживания маркеров рака, тестирования инфекционных агентов и др.
Аналогичным образом, на основе одного образца крови технология компании Nightingale позволяет анализировать множество биомаркеров. Эта система использует технологию ядерного магнитного резонанса и запатентованное программное обеспечение для получения комплексных данных о состоянии здоровья, которые связывают образ жизни человека с риском его заболеваний.
Анализ осуществляется полностью автоматизировано под строгим контролем качества и обеспечивает комплексный спектральный анализ многочисленных биомаркеров из образца. Затем программное обеспечение идентифицирует метаболиты и количественно оценивает эти данные для получения подробной информации о состоянии здоровья человека.
Компания HealthTell разработала технологию оценки иммунносигнатуры пациента, т.е. реакцию иммунной системы на 30 разных симптомов заболеваний. Сюда входят рак, инфекционные, метаболические и аутоиммунные болезни, включая артрит, грипп и болезнь Альцгеймера. При анализе используется высокоплотный пептидный массив, который предназначен для поиска бесчисленного множества антител, которые присутствуют в образце крови человека. Различные перестановки и комбинации антител могут свидетельствовать о наличии у пациента определенного заболевания.
HealthTell очень напоминает Theranos, поскольку обе компании утверждают, что могут проводить диагностику буквально по одной капле крови. Однако HealthTell, в отличие от Theranos, публикует информацию о своем изобретении, что позволяет хоть как-то понять научную основу, на которой базируется ее технология. Отметим, что, после публикации информации об этой разработке в 2016 году, новой информации мы пока не получили.
Что касается желаемого результата в виде "полного анализа по одной капле крови", то пока исследователи не придумают точный способ увеличения объема крови из исходного образца размером с каплю или не разработают точные тесты по одной капле, мы не увидим работающего решения. В данном случае безопаснее делать ставку на "анализ крови по маленькой пробе".
Может показаться, что это лишь вопрос времени, когда мы увидим такие цифровые технологии здравоохранения на практике. Однако некоторые перспективные и доступные технологии, такие как 3D-печать органов с их многочисленными преимуществами, не внедряются из-за ряда факторов - от отсутствия научного обоснования до стоимости производства. Другие не приживаются из-за того, что некоторые компании, такие как Theranos, создают негативный прецедент в ущерб перспективным технологиям.
Но в действительности, даже если бы эти технологии были доступны уже сейчас, они могли бы и не быть приняты на вооружение. Это связано с тем, что в области цифрового здравоохранения еще предстоит решить ряд проблем, прежде чем рассматривать возможность внедрения этих футуристических цифровых технологий в повседневную практику. Как мы можем говорить о нанороботах, если мы не можем легко получить доступ и загрузить свои собственные медицинские карты из медицинского учреждения? Как мы можем заставить пациентов использовать пищевые сканеры, если для того, чтобы заставить их принять телемедицину, потребовалась пандемия?
По материалам Block Delta, Time, Medical Futurist, Interesting Engineering, Apply SCI.