1913.Революция в биомедицине, движимая ИИ
Мир стоит на грани фундаментальных изменений, которые могут переопределить само понятие человеческого существования. Революция в биомедицине и здравоохранении, движимая искусственным интеллектом (ИИ) и передовыми биотехнологиями, обещает не только избавить человечество от бремени болезней, но и открыть новые горизонты развития и самореализации. Ниже приводим «свежую» информацию.
Стартап Renewal Bio, основанный учеными из Института Вейцмана, разрабатывает технологию омоложения организма и восстановления органов с помощью собственных стволовых клеток человека. Технология стартапа Renewal Bio основана на принципах перепрограммирования клеток. Главные работы, связанные с этим направлением, отмечены Нобелевскими премиями. Ученые научились превращать обычные клетки, например, клетки кожи обратно в стволовые, фактически стирая их биологическую память и возвращая в первоначальное состояние, как в эмбрионе. Выращенные из таких клеток ткани идеально подходят конкретному пациенту, исключая риск отторжения и необходимость поиска донора. Но вырастить их трудно.
Главное отличие подхода Renewal Bio заключается в создании особой среды, имитирующей условия внутри матки. В специальных инкубаторах с контролем давления, температуры и газового состава клетки формируют трехмерные структуры. Такие структуры развиваются естественным путем, превращаясь в нужные типы тканей под воздействием биологических сигналов. По словам разработчиков, система позволяет выращивать более ста различных типов клеток, в том числе клетки костного мозга и поджелудочной железы. Первым продуктом компании должны стать клетки костного мозга для лечения онкологических и орфанных заболеваний. Орфанные заболевания – это редкие патологии, часто имеющие генетическую природу.
Для Израиля это направление критически важно из-за высокой концентрации наследственных заболеваний, характерных для замкнутых групп, в том числе, для евреев ашкенази. Возможность вырастить здоровую ткань из собственных клеток пациента позволяет исправить генетические поломки и обойтись без поиска редких совместимых доноров. Благодаря ускоренным процедурам сертификации для лекарств против редких болезней, выход технологии на рынок ожидается в течение ближайших пяти лет. В долгосрочной перспективе проект нацелен на полную биологическую регенерацию: ученые шаг за шагом превращают технологию в настоящий источник здоровья и омоложения организма.
Ученые из Еврейского университета Иерусалима с американскими коллегами показали, как одна химическая система мозга может управлять другой. Открытие меняет понимание природы депрессии и ОКР. Ученые обнаружили в стриатуме – области мозга, отвечающей за обучение и движение, – особую группу нейронов. Эта группа вырабатывает нейротрансмиттер ацетилхолин, который буквально захватывает управление серотониновой системой мозга. Ранее было известно о влиянии этой группы нейронов на дофамин, но новые данные показывают, что всплеск ацетилхолина мгновенно провоцирует и выброс серотонина в окружающие ткани. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Исследование состояний, характерных для ОКР (обсессивно-компульсивного расстройства), показало, что найденная группа нейронов может переходить в режим гиперстимуляции. В таких случаях нейроны становятся аномально активными, что в конечном счете и вызывает патологический избыток серотонина. Это означает, что психические заболевания могут быть следствием не просто дефицита или излишка одного вещества, а следствием нарушения внутренней координации нейронных систем, когда сбой в одной системе автоматически выводит из строя другую.
«Наши результаты показывают, что внутренняя проводка мозга позволяет одной химической системе брать на себя управление другой системой. В таких состояниях, как ОКР, когда передача сигналов нарушается, эта обычно полезная координация серотонина и ацетилхолина переходит в форсированный режим. Наша работа объясняет, почему определенные виды поведения становится так трудно остановить», – поясняют соавторы работы Джошуа Гольдберг и Джошуа Плоткин. Препараты, воздействующие на серотонин, являются основной линией терапии многих расстройств, в том числе депрессии. Понимание роли ацетилхолина как инициатора изменений может привести к созданию более эффективных методов лечения нейропсихиатрических заболеваний.
Ученые Франции представили результаты крупного клинического исследования, в котором удалось добиться значительного снижения рисков повторного инсульта с помощью комбинации из трех препаратов. По статистике, среди выживших после инсульта большое число пациентов сталкиваются с новым эпизодом, развивают инвалидность или умирают от сердечно-сосудистых осложнений. Новое лечение может изменить ситуацию. Снижение артериального давления считается единственным доказанным способом профилактики повторного инсульта, однако добиться успешного контроля над гипертонией крайне сложно. Сегодня пациентам часто назначают несколько препаратов, но их дозы не увеличиваются вовремя, а соблюдение режима приема оказывается низким. Исследователи предложили альтернативный подход: они объединили три средства в одной таблетке с низкими дозами каждого компонента.
В состав новой таблетки входит: телмисартан, амлодипин и индапамид — препараты с разными механизмами действия, пишет Medical Express. Лечение протестировали у 1670 с гипертонией, перенесших внутримозговое кровоизлияние. По сравнению с группой контроля лечение снизило риски повторного инсульта на 39%, показатели трехлетние наблюдения. По мнению исследователей, ключевым фактором стало более эффективное снижение давления. Тройная комбинация воздействует сразу на несколько физиологических механизмов, позволяя достигать целевых значений быстрее и стабильнее. При этом использование низких доз помогает снизить риск побочных эффектов. В перспективе универсальная комбинированная таблетка может стать эффективным и доступным инструментом профилактики геморрагического и ишемического инсульта.
Австралийские ученые обнаружили ранее неизвестный механизм регулирования уровня сахара в организме — оказалось, что гликоген может регулироваться напрямую. Открытие опровергает фундаментальные правила биологии, утвердившиеся за последние полвека, и может привести к новым методам лечения диабета и других заболеваний. Исследователи из Института Уолтера и Элизы Холл показали, что запасенный в организме сахар — гликоген — может регулироваться напрямую с помощью белка убиквитина. Ранее считалось, что убиквитин работает исключительно с белками, помечая их для разрушения или переработки, однако новая работа доказала, что он способен связываться и с молекулами сахара.
В норме после приема пищи избыток глюкозы превращается в гликоген и откладывается в печени и мышцах. Метаболизм гликогена считается хорошо изученным, однако теперь ученые обнаружили альтернативный путь регуляции гликогена, который действует параллельно известным ферментативным механизмам. «Мы обнаружили второй путь, с помощью которого гликоген может регулироваться напрямую, вероятно, по требованию», — прокомментировал автор работы Дэвид Командер.
До сих пор убиквитин рассматривался как универсальная метка для белков, которая помогает клетке избавляться от поврежденных структур. Новые эксперименты показали, что тот же механизм может применяться к сахарам. Когда животные находились в состоянии голодания и их организму требовалась энергия, уровень гликогена снижался, однако одновременно увеличивалось количество убиквитиновых меток на гликогене. Это указывает на то, что убиквитин может играть активную роль в запуске распада запасенного сахара. Накопление гликогена связано с развитием многих заболеваний, таких как диабет, ожирение, болезни печени и сердца. Авторы рассчитывают, что открытие приведет к новым методам лечения, включая победу над заболеваниями, а не только коррекцию симптомов.
Биологический мозг, по сравнению с искусственным интеллектом, потребляет примерно в миллион раз меньше энергии. Для того чтобы сократить этот разрыв, ученые из США создали трехмерное устройство, интегрирующее мозговые клетки и микроэлектронику в единую структуру с целью выполнения вычислительных задач. Устройство использует нейроны, выращенные нестандартным образом: вокруг каркаса из микроскопических проводов и электродов. «Настоящим узким местом для ИИ в ближайшем будущем станет энергопотребление, — сказал Фу Тяньмин, руководитель научной группы. — Наш мозг потребляет лишь ничтожную долю — примерно одну миллионную — энергии по сравнению с современными системами ИИ, выполняющими аналогичные задачи».
Решением могут стать трехмерные биологические нейросети, разработкой которых занимаются специалисты из Принстонского университета. Предыдущие попытки использования клеток мозга для вычислений основывались на двумерных культурах, выращенных в чашке Петри, или трехмерных кластерах, которые исследовались и контролировались извне. Новое устройство создано иначе, рассказывает Techxplore. Клетки выращиваются вокруг трехмерного сетчатого каркаса из микроскопических проводов и электродов. Команда использовала этот каркас как основу для культивирования десятков тысяч нейронов в обширную 3D-сеть. Такой подход позволяет записывать и стимулировать электрическую активность нейронов с гораздо более высоким разрешением, чем прежде.
Отслеживая эволюцию системы на протяжении более полугода, исследователи экспериментировали с усилением и ослаблением связей между ключевыми нейронами и в итоге обучили алгоритм распознавать паттерны электрических импульсов. В двух тестах — на различение пространственных и временных паттернов — система правильно различала закономерности, демонстрируя способность к обучению и распознаванию. В будущем исследователи надеются масштабировать систему для выполнения более сложных задач. Авторы подчеркивают, что трехмерные биологические нейросети не только помогут раскрыть вычислительные секреты мозга, но и способствуют пониманию и, возможно, лечению неврологических заболеваний.
Ученые представили алгоритм искусственного интеллекта, который выявляет фактически «невидимые» изменения в ткани на фоне развития рака поджелудочной железы. Сегодня этот тип опухоли относится к наиболее смертельным онкологическим заболеваниям, однако теперь благодаря раннему выявлению ситуация может измениться. Новая система под названием REDMOD анализирует снимки КТ и находит едва заметные изменения структуры тканей, которые не различимы для врача и стандартных методов визуализации, пишет EurekAlert. В рамках исследования ученые работали с протоковой аденокарциномой поджелудочной железы — одним из наиболее смертельных онкологических заболеваний.
В основе Reti-Pioneer лежит крупный мультимодальный датасет: более 107 тыс. снимков сетчатки от свыше 53 тыс. человек из британских и китайских медицинских баз. Модель объединяет изображения разного качества с клиническими данными и использует ансамбль современных алгоритмов компьютерного зрения.
В проспективном клиническом пилотном исследовании с участием 606 человек система показала наилучшие результаты в диагностике остеопороза (AUROC 0,877) и гипертонии (0,843), умеренные результаты — для сахарного диабета 2-го типа (0,776) и более слабые — для заболеваний щитовидной железы (0,646). При проверке на датасетах из регионов с разным уровнем медицинской инфраструктуры точность в ряде случаев повышалась до 0,9.
В отдельном испытании с участием 1 017 человек в условиях первичной медицинской помощи было показано, что результаты формируются за 30 секунд, тогда как стандартные лабораторные процедуры занимают около восьми часов. Reti-Pioneer также использовался как вспомогательный инструмент для врачей. С её помощью точность диагностики заметно выросла. Например, для подагры — с 51% до 79%, для заболевания щитовидной железы — с 63% до 70%, а для диабета — с 71% до 88%. Модель также протестировали на разных этнических группах, где она показала сопоставимые результаты, что указывает на потенциал масштабирования. Кроме того, система продемонстрировала способность прогнозировать развитие заболеваний на горизонте до 5–10 лет.
Японские физики разработали новый класс биосовместимых квантовых точек, который можно использовать в качестве высокоточных “градусников” для замеров температуры в отдельных регионах живых клеток. Эти квантовые сенсоры помогли ученым составить первую “карту температур” для ядра клетки, сообщила пресс-служба Национальных институтов квантовой науки и технологий (QST).
“Проведенные нами опыты показывают, что созданные квантовые точки могут работать внутри живых клеток и при этом они сохраняют максимально возможный уровень точности замеров. Это открывает дорогу для проведения первых систематических замеров температуры в разных внутриклеточных средах при помощи квантовых сенсоров”, – заявил научный сотрудник QST Хитоси Исивата, чьи слова приводит пресс-служба организации.
Как отмечают физики, в последние несколько лет биологи и физики активно изучают то, какой температурный режим поддерживается внутри разных частей клеток и как различия в их температуре влияют на процессы внутри этих органелл. Интерес ученых к этому вопросу стал особенно сильным после того, как в 2018 году биологи обнаружили, что внутри митохондрий, клеточных “энергостанций”, поддерживаются неожиданно высокие температуры, достигающие порядка 50 градусов Цельсия. Для получения более точных замеров внутриклеточных температур и составления температурных карт отдельных частей и органелл клетки необходимы измерительные приборы, которые бы не мешали жизнедеятельности клетки и при этом корректно замеряли температуры в широком диапазоне условий среды. Японские физики выяснили, что эту задачу можно решить при помощи созданных ими квантовых точек из органических нанокристаллов.
Характер взаимодействия этих структур с электромагнитными волнами сильно меняется даже при небольших сдвигах в температуре окружающей среды, что позволяет использовать квантовые точки в качестве “нанотермометра”. Японским физикам удалось подобрать такую структуру и методику изготовления этих структур, которые позволяют получать максимально однообразные квантовые точки, стойкие к воздействию внутриклеточной среды и способные измерять не относительные, а абсолютные температуры. Данная особенность органических квантовых точек позволила физикам составить первую температурную карту ядра человеческой клетки, для чего ученые создали специальную систему, позволяющую вводить эти наноструктуры в центр живой клетки. Эти замеры указали на то, что внутри ядра присутствуют относительно теплые и холодные регионы, температура которых отличается на один градус Цельсия. Последующие опыты и замеры помогут понять, с чем связаны подобные различия в уровне нагрева ядра клеток с волнами света, поглощать их и преобразовать в другие формы колебаний.
ИИ использует технологию радиомики для выявления тончайших структурных изменений в тканях. Эффективность проверили на данных 219 пациентов, у которых на момент сканирования не было выявлено признаков рака, но позже диагноз подтвердился. У части из них рак диагностировали через несколько месяцев, у других через два и более года. REDMOD выявил скрытые признаки опухоли в среднем за 475 дней до клинической диагностики. У некоторых пациентов ИИ фиксировал изменения более чем за два года до диагноза. В этих случаях ИИ был точнее врачей почти в три раза.
«REDMOD полностью автоматическая система, которая может выявлять признаки рака на стадии 0», — подчеркнули авторы. По их словам, раннее выявление рак поджелудочной может кардинально изменить прогноз для пациентов. Например, если увеличить долю выявления опухолей с 10% до 50%, то выживаемость пациентов может вырасти более чем вдвое.
Американская биотехнологическая компания Oruka Therapeutics представила промежуточные результаты клинического исследования нового препарата от псориаза, которые могут изменить подход к лечению хронического кожного заболевания. Уже через 16 недель терапии большинство пациентов достигли полного очищения кожи, а сама терапия потенциально требует всего одной инъекции в год. Препарат под названием ORKA-001 представляет собой моноклональное антитело, нацеленное на белок IL-23, играющий ключевую роль в воспалении при псориазе. В рамках второй фазы клинических исследований его протестировали у пациентов с умеренным и тяжелым псориазом.
Через 16 недель после инъекции препарата у 63,5% участников было полное очищения кожи. Примерно у 84% кожа оценивалась врачами как чистая или почти чистая по шкале IGA. По словам авторов, концентрация действующего вещества может сохраняться на терапевтическом уровне до года, поэтому лечение, потенциально, может требовать лишь одного укола в год. Отдельно они отметили высокую безопасность лечения без серьезных побочных эффектов. Ученые продолжают наблюдения и планируют оценить действие ORKA-001 на большей выборке пациентов. Положительные результаты клинических исследований могут изменить подходы к лечению одного из самых изнурительных хронических заболеваний кожи.
Пока одни исследователи, включая российских, отрицают само наличие угрозы микропластика для мозга, другие продолжают собирать данные по этому вопросу. Более того: они даже предложили способ снизить угрозу для мозга за счет фильтрации крови от частиц пластика.
Однако не все так плохо. В обзоре осветили работу немецких ученых, которые смогли очистить кровь пациента от микропластика с помощью терапевтического афереза. Это процедура, при которой у человека забирают его кровь из вены, а затем делят ее на компоненты. Потом плазму крови пропускают через специальное устройство, связывающее те или иные вещества-мишени. И уже после этого плазму вместе с клетками крови возвращают в кровеносную систему пациента. Оказалось, что это довольно эффективный способ удаления микропластика.
Марк Цукерберг увеличивает инвестиции в биомедицинские исследования. Его некоммерческий проект, запущенный совместно с супругой, Chan Zuckerberg Biohub объявил о вложении $500 млн в разработку моделей человеческих клеток, которые должны помочь лучше понять механизмы заболеваний и приблизить создание новых методов лечения. Biohub, основанный Марком Цукербергом и его супругой, педиатром Присциллой Чан, с 2016 года объединяет учёных и инженеров вокруг программирования биологии на клеточном уровне. Организация поставила амбициозную цель — «излечивать и предотвращать все болезни» — и уже собрала крупнейшие в мире массивы данных об отдельных клетках.
Инвестиционная программа рассчитана на пять лет и направлена на создание прогностических моделей клеток с использованием ИИ. Предполагается, что такие модели позволят исследователям отслеживать взаимодействия на уровне целого организма и точнее предсказывать развитие заболеваний. Около $400 млн из заявленной суммы пойдут на собственные разработки Biohub в области искусственного интеллекта, тогда как оставшиеся средства направят на поддержку внешних научных проектов. В приоритете — сбор и анализ больших массивов биологических данных, без которых, по словам исследователей, невозможно построить точные цифровые модели клеток.
«Чтобы создать ИИ, способный отражать всю сложность биологии, нам нужны на порядки более обширные данные и новые методы наблюдения за клетками — от молекулярного до тканевого уровня», — отметил руководитель научного направления Biohub Алекс Ривз. По его словам, именно дефицит качественных данных сегодня ограничивает развитие биоинформатики. В теории такие модели могут ускорить разработку лекарств, снизить стоимость исследований и изменить подход к лечению хронических и редких болезней. Однако пока речь идёт о фундаментальной науке, и практическое применение подобных систем остаётся задачей на будущее. Среди других крупных проектов в этой области — Isomorphic Labs и Google DeepMind.
