Будущее медицины — биотехнология и миниатюрные роботы

Технологии всё шире используются в здравоохранении и благодаря вкладу от методов визуализации до лечебных возможностей стали незаменимыми в медицине. Медицинские исследования и достижения уже невозможно представить независимо от технологий, и в самом центре нашей жизни появляется новое понятие: биотехнология!

Что такое биотехнология?

Биотехнология — наука, которая, объединяя естественные науки с компьютерной, механической и электротехнической/электронной инженерией, определяет влияющие на здоровье человека белки, ферменты и гены и создаёт молекулы или инструменты для диагностики и лечения.

Биотехнология занимается многими видами деятельности: созданием диагностических технологий, например анализа ДНК и генов, производством усовершенствованных вакцин, рекомбинантных антител и пептидов, искусственных органов. Она также играет важную роль в профилактике инфекционных и генетических болезней и развитии фармацевтики. Неверно считать, что биотехнология используется только в здравоохранении: она применяется в сельском хозяйстве для улучшения пищевых продуктов, производства искусственных удобрений, новых овощей и фруктов, а также в экологических задачах, например выращивании культур в засушливых районах. Действие биотехнологических лекарств более специфично: полученные таким способом рекомбинантная ДНК или гены легче достигают целевого участка после попадания в организм. Кроме того, по сравнению с другими синтетическими препаратами они имеют меньше побочных эффектов и могут действовать в меньших дозах. Цитокины (гормоноподобные вещества, выделяемые соответствующими клетками в ответ на болезнь), интерфероны (вещества против неконтролируемого размножения клеток), интерлейкины (вещества, передающие сообщения между лейкоцитами), иммуноглобулин (вещество, связывающееся с органами и запускающее реакцию), рекомбинантные факторы роста и гормоны — некоторые продукты, которыми биотехнология обогатила медицину и которые применяются для лечения различных болезней. Некоторые рекомбинантные пептиды и липиды и различные разработанные вакцины используются в генной терапии. Благодаря развитию биотехнологии многие новые методы лечения сейчас находятся на стадии исследований. Наряду со многими преимуществами у биотехнологии есть и вредные стороны. Некоторые работы могут загрязнять окружающую среду и нарушать пищевые цепи и экосистемы, вызывая гибель множества организмов. Есть и тёмная сторона — возможность создания биологического оружия. Поэтому крайне важно, как использовать биотехнологию: неправильное применение принесёт больше вреда, чем пользы.

Роботизированная хирургия развивается головокружительными темпами, но насколько широко хирургия будет применяться в медицине будущего?

С развитием технологий меняются и методы лечения. Например, при некоторых операциях вместо классической хирургии используются лапароскопическая или роботизированная. Эти 2 новых вида операций позволяют выполнять вмешательство через миллиметровые разрезы, меньше повреждая здоровые ткани и сокращая восстановление. При лапароскопической (эндоскопической) хирургии инструменты (манипуляторы) вводят в тело через разрез примерно 10 миллиметров в диаметре. Хирург проводит операцию с помощью этих введённых инструментов. Камера увеличивает микроскопическое изображение и передаёт его хирургу, позволяя выполнять более тонкие действия. Такие операции используются в ортопедии, офтальмологии, микрохирургии, нейрохирургии, общей хирургии, лучевой терапии и некоторых онкологических вмешательствах. Некоторые исследования показали у пациентов после лапароскопии меньше кровотечений и осложнений и увеличение безрецидивной выживаемости. Использование роботизированной хирургии лишь недавно начало расширяться. Сейчас её применяют в урологии, гинекологии, общей и сердечно-сосудистой хирургии, хирургии ожирения и онкологии. В роботизированной хирургии есть 3 основных манипулятора. Хирург управляет ими с консоли рядом с пациентом. В консоль и манипуляторы, созданные по образцу рук и запястий хирургов, впоследствии встроили датчик давления. Это позволило хирургу с консоли ощущать мягкость и твёрдость тканей. Так робот стал чувствительнее, а вероятность успеха хирурга увеличилась… Головокружительный прогресс впечатляет и наблюдателей, и практиков; но что вы почувствовали бы, услышав, что в будущем хирургия почти не будет применяться, кроме экстренных случаев?! Более глубокое понимание иммунной системы и управление ею, ранняя диагностика, менее инвазивные методы, микро-/миниатюрные роботы и развитие лучевых технологий сделают многие сегодняшние операции ненужными.

Миниатюрные роботы приходят в медицину

Одно из новых биотехнологических достижений, открывающих новые горизонты и способных сильно изменить медицину при внедрении в клиническую практику, — микро-/миниатюрные роботы. На организованном нами 14–16 ноября 2019 года саммите «Оставившие след в онкологии»один из первых учёных, чьё имя приходит на ум в этой области, профессор Metin Sittiбуквально очаровал нас докладом «Миниатюрные роботы в диагностике и лечении рака».

Миниатюрные роботы, разработанные профессором Sitti и его командой в форме капсул или других формах, вводятся в организм проглатыванием либо через вену и весьма успешно направляются магнитным полем. Они могут доставлять лекарства к раковым клеткам и даже выполнять биопсию. Капсульные роботы после процедуры могут выходить самостоятельно (это не применяется к роботам для биопсии: полученную ткань нужно исследовать, поэтому их извлекают после процедуры).

Предполагается, что эти достижения позволят с помощью капсульных роботов рано диагностировать поздно выявляемые виды рака, например поджелудочной железы и желчных путей. Это показывает, насколько хорошие результаты даёт объединение многих наук. Биотехнология — также область, о которой обязательно должны знать молодые люди, планирующие будущую карьеру. Мы всё лучше видим пользу развивающихся технологий и искусственного интеллекта для здравоохранения. От диагностики до лечения многое ежедневно развивается и меняется. Это рождает надежду на появление в будущем лечения болезней, сегодня неизлечимых.

Кто такой Metin Sitti?

Профессор Metin Sitti получил степени бакалавра и магистра на кафедре электротехники и электроники Босфорского университета, а докторскую степень — в 1999 году на кафедре электротехники Токийского университета. В США в Калифорнийском университете в Беркли он работал постдокторантом и преподавателем в 1999–2002 годах, а в Carnegie Mellon University — профессором в 2002–2016 годах. С 2014 года он директор Института интеллектуальных систем Общества Max Planck в Германии. С 2018 года также работает профессором по совместительству на медицинском и инженерном факультетах Университета Koç. Его исследования охватывают широкий спектр микророботики и интеллектуальных систем: медицинские микророботы и устройства, вдохновлённые природой миниатюрные и мягкие роботы. Для коммерциализации изобретённых им микроволоконных клеящих материалов по образцу волосков на лапах геккона в 2009 году он основал в США стартап nanoGriptech A.Ş.; с 2018 года этот весьма инновационный материал используется во многих рыночных продуктах.

Среди многочисленных наград и званий Metin Sitti — Научная медаль Rahmi Koç в 2018 году, ERC Advanced Grant в 2019 году, награда за лучшую статью на конференции Robotics Science & Systems в 2019 году, звание IEEE Fellow в 2014 году, награда IEEE/ASME за лучшую статью по мехатронике в 2014 году, SPIE Nanoengineering Pioneer в 2011 году и National Science Foundation CAREER в 2005 году. У него более 450 статей в рецензируемых журналах и конференциях. Более 250 журнальных статей опубликовано в ведущих изданиях, включая Nature, Nature Materials, Nature Communications, Proceedings of the National Academy of Sciences, Science Robotics, Science Advances и Advanced Materials. К настоящему времени их процитировали более 22,000 раз. Его последняя книга «Mobile Microrobotics» опубликована MIT Press в 2017 году. Он выступил более чем с 200 приглашёнными докладами на важных конференциях своей области, в университетах и компаниях. Кроме того, он главный редактор журналов Progress in Biomedical Engineering и Journal of Micro-Bio Robotics.

*

Завершим статью словами о биотехнологии писателя и историка Yuval Noah Harari, одного из самых влиятельных людей нашей эпохи:

«Люди должны понять, что человечество сейчас сталкивается с тремя экзистенциальными угрозами, которые невозможно решить на национальном уровне. Проблемы решаются только глобально. Это ядерная война, изменение климата и технологический срыв, особенно развитие искусственного интеллекта (AI) и биоинженерии. Искусственный интеллект и биотехнология могут уничтожить человечество. Если мы вступим в гонку вооружений в сфере искусственного интеллекта или генетики, это гарантирует исчезновение человечества. Неважно, кто победит: проиграет человечество.

Я очень боюсь. Думаю, сейчас технологии позволяют создать самые тоталитарные режимы, когда-либо виденные в человеческой истории, гораздо сильнее, чем представлял George Orwell. Ведь Orwell представлял режим, следящий за вами постоянно, но лишь во внешнем мире: что вы делаете, куда идёте, с кем встречаетесь. Теперь же у нас есть технология, способная следить за всеми людьми 24 часа в сутки, даже за происходящим внутри их тел. Комбинация биометрических датчиков, искусственного интеллекта и биотехнологии это позволяет. Например, в Китае есть школы, где ученики носят биометрические браслеты. Сейчас говорят, что используют их в образовательных целях. Если вы сонливы, скучаете или испытываете трудности, учитель это знает. Но ту же технологию можно использовать политически. То, что мы видели в 20-м веке при Сталине, Гитлере или Мао, будет ничем по сравнению с машинами такого рода, которые начинают создавать сегодня.

Если неправильно использовать биотехнологию, она поможет небольшой элите возвыситься, получив сверхчеловеческие свойства, а большинство оставит позади. Поэтому человечество разделится на разные виды: впервые в истории богатые станут иным видом, чем бедные. Это величайшее неравенство в истории. Многие рабочие места исчезнут, но появятся новые. Главная проблема — не абсолютное отсутствие работы, а переобучение людей. Людям придётся снова и снова менять работу, учась всю жизнь. Нынешняя система образования к этому не готовит. Единственный способ справиться — глобальное сотрудничество».