Курс на лечение
На днях Минздрав России запустил платформу искусственного интеллекта в здравоохранении. Нейросеть можно «обучать», показывая ей множество медицинских изображений с патологиями, чтобы затем искусственный интеллект мог сам замечать предполагаемый диагноз. Как сказано в заявлении Минздрава, чиновники рассчитывают, что новая площадка позволит объединить специалистов по ИИ и медиков для решения клинических задач. Однако это не единственное перспективное направление медицины будущего.
Одна из задач подобного рода — редактирование генома. Еще в 1953 году в журнале Nature вышла статья Уотсона и Крика о расшифровке структуры ДНК — биомолекулы, которая несет генетическую информацию о своем владельце. В геноме человека — 29 тыс. генов. Если выписать на бумагу информацию из одной молекулы ДНК одной клетки человека, то нам понадобится тысяча тысячестраничных книг. В результате биологических процессов в этой сложной молекуле могут возникать ошибки. Даже высококвалифицированная машинистка не сможет набрать такой текст без опечаток. Опечатка в одной букве, как ошибка в гене, ошибка в гене — развитие моногенного заболевания. К таким можно отнести гемофилию, миодистрофию Дюшенна, муковисцидоз.
Поэтому ученые всего мира искали способ безопасного редактирования генома. Подсказку дали бактерии, у которых есть CRISPR — система наподобие иммунной, она защищает клетку от вирусов. Когда эту систему обнаружили, ученые модифицировали ее так, чтобы редактировать с ее помощью геномы других организмов, например человека.
Мы отправляем в клетку одновременно две молекулярные системы. Первая — это молекула РНК (CRISPR), она «узнает» дефектный ген, который стал причиной заболевания. Вторая — это белок Cas-9, который разрезает участок ДНК в месте, где есть дефект. ДНК восстанавливается, «сшивается» за счет своей второй пары. Дефект исправлен, а заболевание излечено. Это открытие было удостоено Нобелевской премии по химии в 2020 году.
Но развитие заболевания может быть связано не только с генами, но и с клетками человека. Если это онкология, то в определенном месте возникают опухолевые клетки, которые отличаются от нормальных. Чтобы человек выздоровел, нужно доставить лекарство именно в пораженную ткань или орган. Такой подход называется «адресная доставка препаратов». К сожалению, пока большинство из них действует не на конкретную патологическую клетку, а на весь организм. До опухоли доходит в лучшем случае 1–3% введенной дозы. Ученые стремятся создать «волшебную пулю», которая минует все здоровые органы, найдет среди них больной и в нужной дозе и в нужное время окажет терапевтическое воздействие.
К системе адресной доставки лекарства есть несколько требований. Она должна обеспечить сохранность препарата, пока он транспортируется к месту назначения, не дать ему преждевременно выйти из организма и позволить лекарству подействовать в течение длительного времени.
Ученые искусственно синтезировали молекулы, которые могут связываться с опухолевыми клетками и доставлять лекарство прямо в цель. Наиболее известный пример адресной доставки — это взаимодействие маленькой молекулы, которая состоит из нескольких остатков аминокислот, с мембранным белком, который содержится на поверхности эпителиальных клеток опухолей предстательной железы. Это соединение часто используют для диагностики. Молекулу-доставщик можно связать с красителем, который светится на определенной длине волны, и ввести в кровоток пациенту. Во время операции или при осмотре в свете специальной лампы опухолевые клетки, которые «поймали» молекулы, будут светиться. Врач сможет абсолютно точно увидеть, где находятся очаги злокачественной опухоли, и назначить лечение.
Молекулу связывают и с радиофармпрепаратами. Это радиоактивные изотопы с излучением, токсичные для клеток. Молекула, как почтальон, доставляет ядовитое лекарство только к тем клеткам, на которые оно должно подействовать. Это очень важно, потому что, например, рак простаты часто метастазирует. И если первичный очаг на ранней стадии удалить относительно легко, то на поздних стадиях метастазы распространяются по всему организму, избавиться от них практически невозможно.
Следующей хотелось бы назвать технологию биопринтинга. Это искусственное создание тканей и органов человека с использованием технологии 3D-печати. Считаю, что в ближайшие десятилетия биопечать станет важным инструментом в персонифицированной медицине.
Процесс биопринтинга состоит из двух этапов: создание 3D-модели и печать. Для получения модели могут применять исследования, которые дают трехмерную реконструкцию, такие как КТ или МРТ. А технология печати напоминает работу струйного принтера, где роль чернил выполняют необходимые клетки, вместо бумаги используют специальные подложки, которые обеспечивают «прилипание» клеток. Это могут быть как клетки пациента, которые взяли из определенного органа, так и стволовые клетки — они способны трансформироваться в другие.
Сегодня уже научились печатать кости. Для создания небольшой требуется не больше двух часов. Хрящи, нос или ухо можно нарастить за 20 минут. А еще ученые разработали принтер, который позволяет наносить необходимые клетки на участки обожженной кожи.
Главный интерес представляет печать внутренних органов. Создать целые почку, печень или сердце сложно, потому что они состоят из различных типов тканей, а также надо учитывать кровообращение. Ученые напечатали миниатюрную почку коровы, которую имплантировали рядом с почкой животного, спустя время она стала успешно вырабатывать мочу. Исследователи из Израиля создали первое напечатанное сердце для крысы. Хотя размер прототипа не более 1 см, сердце выполняет все свои функции. Оно содержит три камеры, желудочки и кровеносные сосуды. Печать человеческих органов — это задача для ученых на ближайшие десятилетия.
Думаю, благодаря перечисленным изобретениям качество медицинской помощи станет на порядок лучше, а мы с вами — более здоровыми.
Автор — профессор РАН, научный руководитель РХТУ им. Д.И. Менделеева, первый зампред комитета ГД по науке и высшему образованию
Позиция редакции может не совпадать с мнением автора