Медицина будущего. Обзор передовых разработок — от роботов-хирургов до редактирования генома

Искусственный интеллект не только умеет сочинять песни, рисовать картины и писать программные коды, но и дает медицинские консультации, в том числе оценивая вероятность рака с врачебной точностью. Рассказываем о самых важных разработках глобального медтеха — как работает удаленный мониторинг, «ГЛОНАСС Забота» и нейросеть BioGPT, в чем принцип действия нейрочипов при борьбе с депрессией, почему первых роботов-хирургов лишили самостоятельности, что такое «умные» таблетки и зачем они нужны, как компания Илона Маска побудила обезьяну играть в пинг-понг силой мысли, в чем заключается инновационный метод редактирования генома и чего в будущем ожидать от российских разработчиков медтехнологий.

Удаленная медицина

Телемедицина, или удаленная медицина — это дистанционное предоставление медицинских услуг: консультаций и врачебных приемов для составления схемы лечения, выписки и назначения анализов.

У телемедицины большая история. В 1879 году в статье журнала Lancet анонимный автор предположил, что телефонная связь может быть полезна врачам. В качестве примера автор рассказал о случае в Соединенных Штатах, когда врач из-за позднего времени удаленно консультировал женщину с заболевшим ребенком. Послушав, как ребенок кашляет, врач заверил, что срочный прием не требуется.

С 1920 года начали использовать радио для консультаций людей в изоляции: экипажей кораблей или жителей деревень. Для этого их обеспечивали беспроводной радиосвязью, письменными инструкциями по оказанию первой помощи и аптечками. Консультации проводили центры добровольцев, чуть позже взятые под контроль государствами. Эксперты из центров могли назначать лекарства и удаленно помогать с наложением повязок, введением инъекций.

В 1925 году научный журнал Science and Invention публикует статью о «теледактиле» — изобретении будущего, работающем на основе теле- и радиосвязи. С его помощью врач мог бы дистанционно общаться с пациентом и даже осматривать с помощью двух рычагов, повторяющих движения рук. Обложка оказалась пророческой — сейчас видеоконсультации и даже удаленные операции не кажутся чем-то необычным.

Synchron и университет Мельбурна с 2016 по 2020 год уже провели ряд экспериментов по вживлению чипа в Австралии. Добровольцы из эксперимента могли переписываться в WhatsApp и делать онлайн-покупки «силой мысли», без использования дополнительных устройств.

В 2021 году года компания сообщила что их пациент Филип О’Киф отправил несколько сообщений в Twitter через аккаунт гендиректора Synchron. «Привет, мир! Короткий твит. Монументальный прогресс», — написал О’Киф в первом сообщении.

Разработчики надеются, что устройство поможет увидеть мир даже полностью слепым пациентам, в том числе и без глаз.

Импланты разрабатывают для борьбы с различными болезнями. Австралийская компания Epiminder делает пациентам небольшое углубление в кости черепа под устройство, которое следит за активностью мозга и предупреждает о приступе эпилепсии; болезнь Паркинсона лечат DBS-терапией — имплантацией нейрочипа, посылающего электрические импульсы в мозг. Это высвобождает дофамин, отвечающий за двигательную активность, после чего у больных исчезает тремор и бессвязная речь. По схожему принципу будет работать чип, который разрабатывает компания Inner Cosmos для борьбы с депрессией — магнитная стимуляции нейронов вызывает высвобождение нейромедиаторов и улучшает настроение. А спинальные импланты от компании Onward Medical помогают ходить парализованным людям.

Сложностью в таких разработках является иммунный ответ на вживляемые материалы. Со временем организм может начать отторгать инородное тело, формируя вокруг него капсулу ткани, из-за чего сигнал, который посылают нейроны, считывается имплантом все хуже или вообще пропадает.

Многие из нейрочипов находятся в стадии разработки или испытаний, но их создатели надеются, что через 10–15 лет чипы можно будет установить любому, кто только захочет. О стоимости имплантов говорят расплывчато. Создатель компании Synchron, например, утверждает, что один чип будет стоить «примерно как автомобиль», но не уточняет, какой именно.

Искусственный интеллект

Искусственный интеллект в медицине помогает в обработке больших массивов медицинских данных, анализирует их и выдает результат, улучшающий обслуживание и лечение.

К NLP-технологиям относятся чат-боты, общающиеся с пациентами. Так, на платформе Babylon Health можно получить не только удаленную консультацию у живого врача, но и поговорить с искусственным интеллектом. Платформу используют 20 миллионов человек по всему миру, но в компании предупреждают, что их компьютерный ассистент сообщает лишь о возможном диагнозе и после консультации рекомендуется посещение настоящего врача.

Языковая модель BioGPT от Microsoft превзошла другие медицинские ИИ. Ее самая обширная версия BioGPT-Large выдает результаты (ответы на биомедицинские вопросы) с точностью до 81%, в то время как точность человека составляет 78%.

Современные разработки на базе ИИ с компьютерным зрением анализируют снимки МРТ, УЗИ, кардиограммы и результаты компьютерной томографии. В некоторых случаях ИИ оценивал вероятность рака легких по флюорографии с точностью 82–93%, не уступая врачам.

Еще одни исследования показали, что ИИ на основе нейросети может быть таким же эффективным в обнаружении признаков рака молочной железы, как и врачи-рентгенологи.

Умные CV-устройства часто используют в больницах. Там они помогают следить за гигиеной, настраивать нужную температуру в холодильниках для хранения вакцин и лекарств. Инфракрасные датчики и компьютерное зрение собирают данные о количестве донорской крови и свободных местах в режиме реального времени — это помогает сотрудникам скорой помощи быстро понять, в какую больницу везти пациента, если в ближайшей нет ресурсов.

Некоторые стартапы разрабатывают лекарства, основываясь на анализе данных от ИИ. Поиск веществ для состава — один из самых долгих и дорогих этапов разработки лекарств. ИИ может помочь снизить затраты на разработку двумя способами: созданием более эффективных составов и поиском новых полезных комбинаций.

Искусственный интеллект часто применяется в концепции интернета вещей, создавая те самые гаджеты, реагирующие на приступ эпилепсии и анализирующие пульс. В то время как, например, кардиомонитор отслеживает показатели, ИИ анализирует их и выявляет возможные болезни.

В 2023 году на российском рынке может появиться нейросеть, диагностирующая депрессию и тревожность. Ее разрабатывают в рамках проекта iCognito, который накопил большую базу текстовых сообщений, стенограммы психотерапевтов и чаты кризисных линий.

Согласно Markets And Markets, объем глобального рынка искусственного интеллекта в сфере здравоохранения вырастет с 4,9 млрд долларов в 2020 году до 45,2 млрд долларов к 2026 году.

Роботы

Существует несколько поколений медицинских роботов. К первому поколению относятся промышленные роботы, которых помимо производства стали использовать в медицине, — это произошло в 1985 году, когда в медицинском центре Калифорнии хирурги провели биопсию мозга 52-летнего мужчины с помощью аппарата PUMA 200. Робот был использован из-за точности, с которой он фиксировал медицинскую иглу.

Первой моделью, которая активно использовалась в операциях, стал ROBODOC. Его усовершенствовали из промышленного программируемого станка 1989 года и запрограммировали, чтобы он самостоятельно делал полости в тазобедренных и коленных суставах под протез. С тех пор робот выполнил более 28 тысяч ортопедических операций по всему миру.

Путь к полной самостоятельности роботов мог вызвать этические и юридические вопросы, поэтому второе поколение получило меньшую автономность. Индустрия состояла из роботизированных хирургических устройств: операцией руководил хирург, пользуясь улучшенными роботизированными «руками».

Роботизированные устройства позволяют с высокой точностью делать надрезы любых размеров, видеть увеличенные детали в трехмерном изображении, делая операцию менее инвазивной. Одно из самых популярных устройств такого типа — система da Vinci. За 20 лет существования она стала стандартом для разработок следующих поколений.

Третье поколение включает в себя роботов-хирургов, роботизированные протезы и экзоскелеты, а также роботов-помощников. Роботы-хирурги используются в малоинвазивных операциях на мягкие ткани и ортопедических операциях — заменах суставов.‌

Компании создают системы, включающие искусственный интеллект, в том числе чтобы ассистировать врачей. В нейрохирургии используется Modus V — автоматизированная роборука и цифровой микроскоп. Рука сама перемещается в область, в которой работает хирург, и проецирует на экран увеличенное изображение в высоком разрешении.

Ассистент стоматолога Yomi может самостоятельно установить зубные импланты, распечатанные на 3D-принтере, а также контролировать точность работы врача, направляя его движения.

Экзоскелеты в свою очередь не заменяют утраченные органы, а дополняют, расширяя возможности человека. Их часто применяют в реабилитации, помогая людям с двигательными нарушениями. Российская компания «ЭкзоАтлет» производит экзоскелеты для клиник, в которых помогают пациентам с травмами спинного мозга, рассеянным склерозом, последствиями ДЦП и инсульта. Реабилитация в экзоскелете должна помочь привыкнуть к нагрузкам, увеличить силу мышц, повысить устойчивость при ходьбе.

Другой вид роботов — роботы-помощники поддерживают чистоту в больницах. Например робот Xenex используется для дезинфекции больничных палат — от бактерий он избавляется с помощью ультрафиолетовых лучей. Autonomous Mobile Robots помогают в больницах с тяжелой работой: перемещают больничные койки, медицинские устройства, развозят лекарства. AMR могут самостоятельно перемещаться к пациентам в палаты, чтобы врач провел осмотр удаленно. Некоторые роботы отслеживают расходные материалы в больницах и даже регистрируют заказы на покупку.

Автономный RoomieBot помогает специалистам еще до регистрации пациентов — распределяет их по врачам и палатам, учитывая их историю болезни, а также измеряя температуру, уровень кислорода в крови.

Социальные роботы похожи на сервисных, но больше направлены на взаимодействие, а не обслуживание. Эти роботы созданы для снятия стресса, создание комфорта и благоприятной психологической обстановки. Часто они похожи на животных — кошек, собак или детенышей тюленя как, например, робот PARO. Их используют для пожилых пациентов с деменцией и людей с тревожностью.

В последние несколько лет усиливается тренд на микроробототехнику — применение микророботов для доставки полезных веществ в определенное место в человеческом теле, например прямо к неоперабельной раковой опухоли.

Редактирование генома

Две ученые-исследовательницы Эмманюэль Шарпантье и Дженнифер Дудна в 2020 году получили Нобелевскую премию по химии «за разработку метода редактирования генома». Они использовали CRISPR-Cas9 — систему адаптивного иммунитета некоторых бактерий.

Ученые предполагают, что с помощью CRISPR-Cas9 можно, как ножницами, «вырезать» из человеческого генома мутации, ответственные за целый ряд заболеваний, например муковисцидоз, серповидноклеточную анемию, болезнь Хантингтона, мутации BRCA-1 и 2, связанные с раком молочной железы и яичников.

В 2020 году провели 115 клинических исследований по редактированию генома человека с помощью CRISPR-Cas9. Первая терапия проведена на пациенте с редким заболеванием — амаврозом Лебера (тип 10). Болезнь вызывает слепоту у детей и в настоящее время не лечится. Курс терапии состоял из однократной инъекции в один глаз. Из 34 пациентов благоприятный результат был у 12 взрослых и двоих детей.

CRISPR-Cas9 позволяет работать с огромным количеством генных заболеваний, не тратя на разработку лекарства большое количество времени (например, разработка «Золгенсма» заняла более 23 лет)‌. Как отмечает Алехандро Чавес, доцент Колумбийского университета, разработавший несколько новых инструментов CRISPR: «Раньше лишь горстка лабораторий в мире могла производить надлежащие инструменты для редактирования генов. Теперь даже старшеклассник может внести изменения в сложный геном с помощью CRISPR».

Некоторые ученые выступают с критикой CRISPR-Cas9, аргументируя это тем, что технология плохо изучена и может повести себя непредсказуемо: разрушать случайные части генома, которые, например, подавляют рост опухолей в организме, что приведет к раку.

Чтобы избежать этого, ученые улучшили способность Cas9 резать намеченную цель, что частично решило проблему — улучшенный фермент при испытаниях допускал одну ошибку из восьми попыток, а обычный — семь.

Тем не менее редактирование эмбриональных клеток может привести к тому, что однажды будут рождаться совершенно новые люди, например без генетических болезней вообще. Эксперты считают возможное рождение модифицированных детей небезопасным опытом — неизвестно, как организм поведет себя в будущем. Также многие сходятся в том, что это неэтично, и опасаются, что услуга генных изменений не будет общедоступной, а значит, возникнет новый тип неравенства.

Глобальный медтех и изоляция России

Современные медицинские разработки сконцентрированы на персональном лечении. Предсказать склонность к болезням можно, сдав слюну в лабораторию и расшифровав свой код ДНК; предупредить заболевания реально через мониторинг организма с помощью гаджетов; чтобы посетить врача, не обязательно выходить из дома. Тренд на удаленный сервис также сделал возможными операции пациентам из любой точки мира. Вектор на персонализацию коснулся даже генной инженерии — все обсуждают возможность получения «дизайнерских детей», которым еще до рождения можно изменить как параметры здоровья, так и внешность.

Если генная терапия только набирает обороты, то в остальном будущее уже наступило — роботы ассистируют врачей, помогают в клиниках, а искусственный интеллект консультирует пациентов, обнаруживая патологии в анализах и описанных симптомах.

На смену традиционной медицинской этике приходит биоэтика, когда рефлексия становится ответом прежде всего на научно-технические достижения. Некоторые сферы, например генная инженерия, нейрочипы и ИИ, кажутся неоднозначными.

Неизвестно, как будут храниться и достаточно ли будут защищены данные, полученные чипами прямо из головы носителей или кто будет виноват, если ИИ ошибется в лечении.

Что касается сферы медтехнологий в России, то она сильно изменилась с прошлого года. Вторжение в Украину повлекло отказы в сотрудничестве и уход компаний. Например, Abagy Robotic Systems, созданная в России в 2017 году, ушла с рынка и работает в США и Европе. Возникли и логистические проблемы — так, Draeger, поставляющая аппараты ИВЛ и оборудование для анестезии и реанимаций с 1960-х годов, перестала это делать с февраля 2022 года. Проблемы возникли и с расходными материалами, заказывать которые теперь приходится в Китае, а с 1 сентября 2023-го, если приказ Росздравнадзора вступит в силу, медучреждения смогут использовать неоригинальные запчасти для медоборудования. Помимо прочего многие российские компании, среди которых «ЭкзоАтлет», столкнулись с блокировкой счетов, приостановкой инвестиций, оттоком ИТ-специалистов, падением спроса со стороны покупателей.

Самым развивающимся сектором медтеха в России стала телемедицина — в ней лидируют компании «СберЗдоровье» и «Доктис».

Также выручка выросла у компаний, которые занимаются страховыми продуктами и разрабатывают экспресс-тесты на COVID-19 и вирус гриппа A/B.

Выпадение России из интеграции в сфере медицинских технологий влияет в большей степени на саму Россию и затормаживает развитие индустрии, в то время как глобальный медтех по-прежнему привлекает миллиардные инвестиции и ведет важнейшие разработки, способные менять жизни людей.