Нейросети, виртуальная реальность и нанороботы в сперме. Какой станет медицина будущего
Может ли робот написать симфонию или превратить кусок холста в шедевр искусства? Этот вопрос остается открытым. Но вот что мы знаем точно: современные медицинские нанороботы способны «перекрыть кислород» опухоли, проникнув в кровоток, и доставить лекарства к пораженным клеткам, не навредив здоровым. Нейросети вот-вот превзойдут врачей в диагностике множества болезней, а обследование с помощью технологий CRISPR cкоро можно будет провести, не выходя из дома. Будущее медицины уже наступило — узнаем, чего ждать от новых методов и как это отразится на нашем здоровье.
Диагностируй это: искусственный интеллект
Успех лечения во многом зависит от быстрой и безошибочной диагностики: для этого врачу нужно накопить немало практического опыта и быть в курсе актуальных научных работ в своей области. Но каждый месяц в печати появляется множество новых исследований и описаний клинических случаев — где найти время, чтобы изучить все это? Здесь на помощь людям приходят компьютеры, способные обрабатывать огромные объемы информации за секунды.
Сегодня алгоритмы анализа медицинских данных создают крупнейшие корпорации, в том числе Microsoft, IBM и Google. Чаще всего в основе их разработок лежат различные формы самообучающегося искусственного интеллекта, способные отыскивать закономерности в больших наборах данных, например томограмм мозга или снимков подозрительных новообразований на коже. Такие алгоритмы обучаются с помощью библиотек из тысяч примеров, где за каждым изображением закреплен диагноз, поставленный квалифицированным врачом.
Нейросети уже научились выявлять многие заболевания так же эффективно, как люди, а в некоторых случаях им даже удается превзойти специалистов.
Анализировать множество снимков позволяют сверточные нейронные сети (convolutional neural networks, CNN). Это глубокие (многослойные) структуры, в которых каждый искусственный нейрон получает лишь небольшой фрагмент выходных данных предыдущего уровня. Постепенно сеть обобщает локальные признаки, воссоздавая полную картину. Сопоставив все данные, CNN может распознавать различные детали на исходном изображении, в том числе характерные элементы, на основе которых врачи ставят диагноз.
В 2017 году в Стэнфорде создали сверточную нейросеть CheXNet, которая способна вычислить пневмонию по рентгеновскому снимку грудной клетки не хуже врача. CheXNet обучали, используя подборку из 112 120 снимков, предоставленных 30 805 пациентами: каждое изображение снабдили данными о наличии или отсутствии у пациента 14 заболеваний легких, включая пневмонию. 420 снимков из подборки показали практикующим врачам со стажем от 4 до 28 лет: выяснилось, что алгоритм не уступал людям в эффективности диагностики. Впрочем, в распоряжении докторов не было снимков с других ракурсов и данных об истории болезни, так что эксперимент все-таки нельзя считать чистым.
Весной 2018 года другой сверточной нейросети удалось превзойти дерматологов в диагностике меланомы по фотографии. Отличить безобидную родинку от зарождающейся опухоли можно по нескольким признакам: асимметричности, неровным краям и неоднородности цвета. Для обучения алгоритма использовали базу из ста тысяч снимков новообразований на коже. Тест разбили на два этапа: на первом и нейросеть, и дерматологи ставили диагноз только на основе фото, на втором врачам открыли доступ к дополнительной информации о пациентах (возрасту, полу и данным о том, на какой части тела расположена необычная родинка). Изначально программа верно определяла меланому в 95 % случаев, врачи — в 86,6 %. На втором этапе средняя точность диагнозов у людей поднялась до 89 %, но даже опытные дерматологи ошибались чаще, чем нейросеть.
Большинство экспертов сходятся во мнении, что ИИ (пока) не в силах по-настоящему заменить врачей. На стороне человека — опыт и способность искать нестандартные решения.
Многие специалисты считают, что сравнивать работу искусственного интеллекта и врача вообще не нужно, они действуют по-разному и достигают разных результатов.
Растущая точность нейросетей может сделать искусственный интеллект надежным помощником, который возьмет на себя рутинный труд, например анализ многочисленных снимков или данных носимых устройств.
Мистер робот: роботизированная хирургия
Пожалуй, одно из самых «футуристичных» направлений современной медицины — робот-ассистированные хирургические операции. Кажется, что от автоматических хирургов один шаг до зарождения «Скайнет» и восстания машин, но на деле все не так страшно. Современные роботы такого типа — высокоточные инструменты, позволяющие проводить сложные операции, однако ведущая роль в этих процедурах по-прежнему принадлежит врачам.
Роботы-хирурги, то есть приборы с операционными микроскопами и «руками»-манипуляторами, — важный этап совершенствования малоинвазивных операций. В отличие от традиционных открытых процедур такие вмешательства проводят через минимальные надрезы и проколы либо через физиологические отверстия тела. Это снижает потерю крови, уменьшает риск многих осложнений, в том числе образования спаек, и делает некоторые процедуры не такими болезненными. Применение роботов добавляет к этому списку и другие достоинства: отсутствие риска заражения для врача и возможность детально рассмотреть место вмешательства.
Хирургические роботы проводят все более и более сложные операции: например, весной 2018 года с помощью манипуляторов удалось вырезать злокачественную опухоль из шейного отдела позвоночника пациента. Малейшая ошибка могла вызвать нарушения моторики или даже паралич, но роборуки сработали безукоризненно. Недавно было опубликовано первое исследование применения роботов в микрохирургии сетчатки — все упомянутые там операции прошли удачно, и некоторые процедуры с использованием манипуляторов оказались даже эффективнее традиционных.
Появятся ли такие устройства в каждой операционной будущего? Не факт.
В 2017 году эксперты из Имперского колледжа Лондона усомнились в необходимости хирургических роботов для большинства британских больниц.
Врачи проанализировали несколько современных исследований и обзоров, посвященных роботизированной хирургии, и заключили, что результаты процедур с использованием устройств-помощников сопоставимы с итогами привычных лапароскопических операций. Роботизированные вмешательства часто подвергают пациентов практически той же степени риска, и при этом обходятся недешево — использование устройства прибавляло к стоимости операции в среднем около 1600 долларов.
Американские исследователи пришли к похожим выводам после анализа результатов более 23 тысяч малоинвазивных операций по удалению почки (около пяти тысяч из них провели с помощью хирургических роботов). Частота осложнений оказалась примерно одинаковой, но роботизированные операции длились значительно дольше, разница во многих случаях измерялась часами.
Авторы другой работы рассмотрели около 470 случаев пациентов с ректальными опухолями: процедуры с участием автоматического «хирурга» длились в среднем на 37 минут дольше. Естественно, расходы на такие операции тоже росли: роботы требуют технического обслуживания и дополнительного пространства. Впрочем, робот-ассистированная хирургия — сравнительно молодая область, и ситуация может измениться к лучшему. Возможно, по мере роста популярности таких устройств цены начнут снижаться: первые компьютеры тоже стоили огромных денег.
Меньше, еще меньше: микро- и нанороботы
Пока врачи сомневаются в необходимости объемных и дорогих хирургических устройств, биоинженеры собирают роботов, неразличимых невооруженным глазом. Технология, позволяющая собирать мельчайшие структуры для работы внутри организма, известна как ДНК-оригами.
ДНК-оригами — это конструирование двух- и трехмерных структур из нуклеиновой кислоты. Каркасом будущей фигуры становится одноцепочечная молекула ДНК, нужную форму ей придают с помощью более коротких комплементарных цепей, которые называют «ДНК-скрепками». Таким образом можно собрать самые разные фигуры: от знаменитых двухмерных смайликов до сложных медицинских нанороботов.
Например, в феврале 2018 года китайские исследователи опубликовали статью о ДНК-структурах, позволяющих в прямом смысле задушить опухоль, лишив ее кислорода.
Робот собирается из плоского ДНК-«листа», на котором располагают молекулы тромбина — фермента, участвующего в процессе свертывания крови. С помощью «скрепок» лист сворачивают в трубку так, чтобы тромбин оказался внутри. Когда ДНК связывается с белком нуклеолином, находящимся на поверхности клеток опухоли, трубка разворачивается, выпуская тромбин. Кровь в ближайших к опухоли сосудах густеет и образует пробку, не пропускающую снаружи кислород и питательные вещества — без них новообразование растет медленнее. Такие ДНК-конверты предлагают использовать и для доставки других типов лекарств.
Кровь — не единственная биологическая жидкость, в которую исследователи запускают микроскопические медицинские устройства. Еще одна среда, в которой микрогаджеты смогут освоиться в будущем, — сперма. Такие технологии придут на помощь мужчинам, страдающим бесплодием из-за астенозооспермии, то есть недостатка подвижности половых клеток. В 2016 году команда немецких ученых представила миниатюрные «двигатели» для медленных сперматозоидов. Крохотная полимерная спираль, покрытая металлом, обвивает хвост сперматозоида и приводится в движение с помощью вращающегося магнитного поля, подталкивая его в направлении яйцеклетки. Пока создан только прототип технологии, и его постоянно дорабатывают: испытания с участием людей начнутся не раньше, чем через несколько лет.
«Спермаботы» помогут не только при бесплодии, их также предлагают использовать и для быстрой и точной доставки лекарств.
Некоторые препараты (например, высокотоксичные средства против опухолей) не оставляют права на ошибку: попав в здоровые клетки, они легко могут навредить. Сперматозоиды — идеальные «курьеры» для терапии опухолей женских репродуктивных органов: они отлично приспособлены к движению во влагалище и в области шейки матки. Для доставки лекарств к таким новообразованиям та же группа исследователей из Германии разработала миниатюрные цилиндрические «чехлы» для сперматозоидов, покрытые тонким слоем железа. Двигаются устройства также с помощью магнитного поля, на «носу» у цилиндров разместили раскрывающиеся мини-контейнеры с антибиотиком доксорубицином. Испытания в лабораторных условиях прошли успешно, но тесты с участием людей тоже начнутся нескоро.
Работа для Шерлока: CRISPR-диагностика
Технологии, основанные на применении CRISPR (регулярно сгруппированных кластеров коротких палиндромных повторов, разделенных уникальными последовательностями-спейсерами), обещают настоящую революцию в медицине. Система CRISPR/Cas9 позволит редактировать геном, очищая его от мутаций, которые приводят к развитию многих заболеваний. На лабораторных животных или клеточных культурах уже испытали методики терапии серповидноклеточной анемии, миодистрофии Дюшенна и катаракты.
CRISPR-технологии способны не только устранять причины заболеваний, но и выявлять болезни, например отыскивать следы ДНК или РНК возбудителей инфекций.
Если в связи с терапией чаще всего упоминают CRISPR-ассоциированный белок Cas9, то «диагностами» обычно становятся другие белки: Cas12a и Cas13a.
В 2017 году исследователи из MIT представили технологию диагностики, получившую название SHERLOCK (Specific High Sensitivity Enzymatic Reporter UnLOCKing). Она использует фермент Cas13a, способный распознавать специфические последовательности РНК и разрезать похожие нити РНК, находящиеся поблизости, полностью уничтожая подозрительный объект. Как и книжный Шерлок Холмс, медицинский SHERLOCK способен воссоздать полную картину событий по мельчайшим уликам: технология работает с аттомолярными (10–18 моль на литр) концентрациями нуклеиновых кислот. Метод испытали на лентивирусах, содержащих фрагменты вируса лихорадки денге и вируса Зика: SHERLOCK смог обнаружить частицы патогенов и отличить их друг от друга при концентрации не более двух аттомоль.
В процессе испытаний выяснилось, что реактивы для диагностики с помощью SHERLOCK можно высушивать, а затем восстанавливать, при этом чувствительность метода падает ненамного. Для портативных тестов предлагают использовать стекловолокнистую бумагу. Авторы разработки считают, что одна тест-система обойдется примерно в 61 цент.
Над созданием наборов для CRISPR-обследований в домашних условиях работают и другие исследователи. Недавно разработки в этой области начала Дженнифер Дудна — одна из пионеров медицинской CRISPR-революции. Ее команда создала метод под названием DETECTR (DNA endonuclease-targeted CRISPR trans reporter), использующий белок Cas12a. Он находит определенные последовательности ДНК и разрезает ближайшие добавленные в образец репортерные молекулы нуклеиновой кислоты с флуоресцентной меткой, подавая сигнал. Таким образом можно обнаружить следы возбудителей многих заболеваний, включая разные штаммы вируса гриппа.
По словам создателей таких тест-систем, CRISPR-анализ займет не дольше нескольких часов, а результаты можно будет получить через интернет. Впрочем, когда такие наборы появятся в открытой продаже, пока неизвестно.
Это иллюзия: виртуальная реальность
О виртуальной реальности чаще говорят в контексте компьютерных игр и «объемного кино», но у технологии есть потенциал и в медицине, причем не в самых очевидных областях. Например, VR эффективно используют в качестве обезболивающего.
В ожоговом отделении больницы Университета Лойолы в Иллинойсе такой подход начали применять еще десять лет назад: во время болезненных процедур пациенты госпиталя играют в симулятор SnowWorld.
Действие разворачивается на фоне полуфантастических северных пейзажей со множеством сугробов и замерзших рек, задача героя — играть в снежки с полярными медведями, пингвинами и снеговиками. Чтобы пройти все уровни, пациент поневоле сосредотачивается на головоломке и отвлекается от физических ощущений. Результаты МРТ-обследований мозга показали, что SnowWorld действительно смягчает восприятие боли, поэтому пациенту требуется меньше сильных обезболивающих средств, которые могут навредить организму.
VR заменяет или дополняет болеутоляющие во многих сферах медицины. Технологию используют, чтобы облегчить боли при родах и во время стоматологических процедур. Обезболивающие свойства виртуальной реальности особенно актуальны в свете «опиоидного кризиса» в США — его связывают с ростом популярности рецептурных обезболивающих (например, оксиконтина и викодина) в последние десятилетия.
VR работает не только при физической боли: она способна победить и психологическую травму. Первые эксперименты прошли в конце 1990-х, тогда психологу Барбаре Ротбаум удалось облегчить симптомы посттравматического стрессового расстройства у ветеранов Вьетнама при помощи виртуальных моделей кабины вертолета и поляны в азиатских джунглях. Эта методика дополняла экспозиционную терапию — постепенное «приближение» к травмирующим воспоминаниям, которых сознание пациента старается избегать. Похожая схема работает при лечении тревожных расстройств и фобий с помощью виртуальной реальности. Технология помогает справиться с аэрофобией и боязнью публичных выступлений: смоделированная среда дает возможность многократно «репетировать» пугающую ситуацию.
Минусы VR-терапии — сравнительно высокая стоимость оборудования и потенциальная физиологическая непереносимость виртуальной реальности.
Некоторые участники испытаний новых методов лечения сталкивались с VR-«тошнотой» (virtual reality sickness), при ней возникают те же симптомы, что и при укачивании в машине или морской болезни. Согласно распространенным гипотезам, оба расстройства возникают из-за нарушений работы рецепторов вестибулярного аппарата или конфликта между сигналами, поступающими от вестибулярного аппарата и органов зрения.
Разработчики уже создали несколько методов, способных уменьшить VR-«тошноту». Например, на экране можно размещать неподвижный объект, который глаза пользователя будут фиксировать постоянно. Авторы технологии Nasum Virtualis предлагают использовать в качестве точки отсчета виртуальное изображение носа, размещенное в центре экрана. Глаза игрока воспринимают его как собственный нос, поэтому ощущение тошноты и головокружения отступает.