Медики в США хотят лечить болезни с помощью небольших компьютеров, вживлённых в тело пациента, - пишет Павел Сивоконь в №27 журнал
В сентябре 2014 года в Медицинском центре Миннеаполиса (США) первому в мире пациенту, больному диабетом, установят микроскопический имплантат. Он присоединится к поджелудочной железе и будет самостоятельно регулировать выделение инсулина.
После этого подобные микроскопические системы начнут пересаживать и другим больным, которые страдают эпилепсией, не могут ходить или даже самостоятельно дышать. Всё это стало возможным после того, как в начале июня американское Управление по санитарному надзору над качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) выдало сертификат на использование подобного приспособления в качестве лекарственного средства.
“Для медиков это сигнал, что можно более активно работать в данном направлении, и оно будет востребовано в фармацевтической отрасли, а значит, появится и финансирование”, — говорит Корреспонденту нобелевский лауреат по медицине Роберт Хорвиц.
По его словам, сейчас лекарственные препараты переходят на новый уровень эффективности, когда они станут действовать на болезнь изнутри. При этом совсем необязательно, чтобы они были только биологического происхождения.
В медицинской компании GlaxoSmithKline уже заявили, что готовы предоставить премию в размере $ 1 млн разработчикам электронной системы, регулирующей дыхание пациента изнутри, не вызывая побочных эффектов. Всего компания уже инвестировала более $ 50 млн в подобные исследования и намерена проводить испытания нового имплантата, который изменит саму суть медицины.
Аппарат будет крепиться к повреждённому органу, который не может работать самостоятельно, и с помощью электрических импульсов стимулировать его работу. Медики надеются, что со временем такие разработки заменят повреждённые участки нервной системы и будут действовать постоянно, как уже происходит со стимуляторами работы сердца. Но для этого нужно также составить полную карту электронных сигналов, регулирующих деятельность организма человека. “Пока мы не сможем читать мысли, но вполне способны отличить, с какой именно частотой передаётся особый сигнал в печень, чтобы она начала работать”, — говорит Уоррен Грилл из Университета Дьюка в Северной Каролине.
По мнению учёного, ещё немного, и будет создан универсальный дрон, который сможет сам определять, какой именно орган повреждён, и помогать в лечении или поддерживать его нормальное функционирование. Для этого нужна только карта нервных импульсов и более универсальные и миниатюрные микропроцессоры.
Внутренний компьютер
При простом рассмотрении аппарат, который сертифицировали в FDA, — это несложная система, состоящая из генератора импульсов определённой частоты и нескольких блоков питания. Также в этой пилюле находится специальный компьютер, который считывает показания давления и электронной активности вокруг органа, чтобы в определённый момент подать нужный импульс.
Примерно по такой же системе делаются сейчас и кардиостимуляторы для людей, чьё сердце не может поддерживать ритм. По данным Всемирной организации здравоохранения, за последние десять лет всего около 300 тыс. человек получили такие стимуляторы. При этом в сердечной мышце не нужен анализ состояния органа — она просто должна прокачивать кровь с определённой частотой. Новое поколение стимуляторов должно лишь понимать, когда именно нужно дать удар током в орган.
Раньше эти разработки сдерживались размерами микропроцессоров, необходимых для оценки и анализа состояния организма. Но с 2010 года габариты транзисторов начали сильно ужиматься, и теперь достаточную информационную систему можно уместить в капсулу диаметром до 5 см.
Длина первого прототипа, который пересадят в сентябре на поджелудочную железу, составит всего 4 см. Он вместит в себя, помимо элементов питания, миниатюрный компьютер, самостоятельно оценивающий, когда нужно подать сигнал. Учёные рассчитывают, что орган сможет правильно воспринимать этот импульс и начнёт работать нормально. Кроме того, для лучшей диагностики имплантат сможет передавать информацию о состоянии пациента в больницу.
По первоначальным данным, срок службы такой системы составит до трёх лет. Затем её нужно будет заменить. В будущем GlaxoSmithKline собирается создать более долговечный прототип. Для этого она планирует использовать новые литий-ионные батареи, которые сейчас разрабатываются в Японии.
В нескольких фармацевтических корпорациях анонсировали создание подобных устройств для других органов и мышц. Самое простое — регулятор дыхания для грудной клетки, который делает вдох через определённые интервалы. Более сложная система — подавление очагов эпилепсии в коре головного мозга. Подобный компьютер пока только тестируется в лабораториях компа- нии Pfizer и может быть готов к 2020 году.
Нервная карта
“Когда вы целуете человека, это не просто процесс сморщивания губ. Ваши лобные доли мозга посылают сигнал на вырабатывание гормонов эндорфина и серотонина. Периферическая нервная система разгоняет ваш пульс. И это только один поцелуй”, — говорит Корреспонденту Хелен Фишер из Ратгерского университета в Нью-Йорке.
По мнению Фишер, искусственно создать такую гамму электронных импульсов, которые проносятся по нашему организму в один миг, очень сложно. Пока исследователи приблизились лишь к возможности выделять и повторять отдельные сигналы.
Поэтому системы технических имплантатов будут работать именно по этой схеме. Часто орган функционирует нормально, но нервные импульсы до него не доходят из-за каких-то повреждений. Более 40 % болезней — например диабет — возникают именно по этой причине. Но пока учёные точно не знают, почему нервная система перестаёт проводить эти сигналы. По мнению Хорвица, дело может быть в постепенной деградации нервных окончаний и систем, сопутствующих им, но пока это лишь гипотеза.
В США ещё в 2001 году стартовал национальный проект по картированию зон головного мозга и импульсов нервной системы (см. Корреспондент №12 (602) за 28.03.2014). Сейчас благодаря усилиям учёных из 20 ведущих университетов удалось выделить более 500 специфических сигналов, дающих организму возможность функционировать. Большинство из них мозг посылает без участия сознания человека — мы ведь не думаем, что пора выделять желчь или желудочный сок во время еды. Потому, если сигнал нарушен, человек не может самостоятельно “починить” его.
К 2030-му учёные планируют закончить работу над этой картой. Тогда будет понятно, какой отдел мозга отвечает за какие сигналы и на какой частоте он передаёт их органам. Для этого понадобится инвестировать в разработки не менее $ 20 млрд. Но институты не скупятся на расходы, понимая, что сейчас это путь к созданию новых революционных систем лечения. Поэтому фармацевтические компании не будут скупиться на заказы потом, так как это обещает им огромные прибыли.
Следующим шагом в картировании нервных импульсов должно стать отслеживание частот высшей нервной деятельности. Или, проще говоря, картирование самосознания и мыслей. Но это отдалённая перспектива.
Пока же учёные готовятся заменить нервные импульсы низшего порядка. По предварительным данным, один имплантат будет стоить от $ 500 тыс. до $ 1 млн, но впоследствии стоимость снизится.
В 2016 году GlaxoSmithKline планирует начать выпуск систем замены нервных импульсов на искусственные сигналы. Позднее компания хочет создать такие же “пилюли” для имплантации в грудную клетку, печень и конечности. Если замысел удастся, то следующим шагом станет программирование таких устройств и их дальнейшая миниатюризация.
По словам Грилла, подобные устройства размером до 0,5 см смогут постоянно находиться в кровеносной системе человека. По внешней команде они будут присоединяться к определённому органу и подавать ему нужные импульсы или передавать информацию о состоянии организма. Это поможет врачам более точно диагностировать болезни и даже начинать их лечение без операций.
Эта перспектива достаточно отдалённая, но исследовательские институты и медицинские компании уже готовы инвестировать в реализацию идеи большие средства. Например, в Национальном институте здоровья США в разработку данной проблематики в 2014-2015 годах инвестируют не менее $ 10 млрд. Это позволит, по мнению Хервица, создать универсального нанодоктора уже в 2020-м.
***
Этот материал опубликован в №27 журнала Корреспондент от 11 июля 2014 года. Перепечатка публикаций журнала Корреспондент в полном объеме запрещена. С правилами использования материалов журнала Корреспондент, опубликованных на сайте Корреспондент.net, можно ознакомиться здесь.