Врачи-роботы, искусственные органы и убийцы раковых клеток

Как новые технологии будущего меняют медицину уже сегодня

Уверенно вступившая в цифровую эру медицина находится на пороге новых прогрессивных открытий и перспектив применения новых технологий. Ученые вот-вот научатся делать искусственные органы и части тела, ничуть не уступающие настоящим. А инновации в сфере фармацевтики позволят быстро побеждать недуги, которые ранее представляли серьезную угрозу здоровью и жизни человека.

Над телом человека, словно паук из стали и пластика, плавно и неспешно двигается робот, обвитый паутиной-проводами. Его лапки-манипуляторы через высокоточные микроразрезы проникают сквозь кожу и вводят внутрь зажимы, скальпели и даже камеры, совершают невидимые глазу манипуляции. Это не кадры из футуристического фильма ужасов, а вполне будничная картина из современной операционной. С помощью роботизированной хирургической системы врач может не только не видеть пациента, но и находиться в нескольких тысячах километрах от него, а ассистировать ему может коллега вообще с другого конца света. А для того чтобы управлять процессом оперирования, им нужен только компьютер и высокоскоростной Интернет.

На стыке научных направлений

Реалии современной медицины таковы, что с помощью новейших технологий лечение происходит заметно быстрее, эффективнее и с меньшим ущербом для здоровья пациентов. За последние годы ведущие мировые корпорации и научно-исследовательские объединения вложили десятки миллиардов долларов, чтобы этот процесс шел быстрее, и вывели на рынок огромное количество ноу-хау в сфере фармацевтики, клеточной и молекулярной биомедицины, искусственных тканей и органов, программного обеспечения.

На рынке медицинских разработок Россия чувствует себя довольно уверенно. После некоторого проседания в 90-е и 2000-е годы российские производители медоборудования выходят на лидирующие позиции в мире, хотя вопрос коммерциализации многих перспективных разработок отечественных ученых остается достаточно острым.

При этом основной инновационный потенциал по-прежнему сосредоточен в университетах, а также в небольших технологичных стартапах, которые при минимуме ресурсов могут быстро отвечать на запросы рынка и умело встраиваются в крупные производственные цепочки. Последние, впрочем, также имеют ярко выраженное университетское происхождение.

За последние 3‑5 лет почти все ведущие вузы страны создали подразделения, которые целенаправленно занимаются разработками в сфере высокотехнологичной медицины. Как справедливо отметил в беседе с корреспондентом «Здравоохранения России» ректор МФТИ Николай Кудрявцев, именно университеты сегодня стали площадкой для консолидации сил и средств: здесь есть доступ к большому количеству энергичных и умных людей, которые готовы работать. «Очень эффективными на базе вузов оказываются междисциплинарные исследования. Сейчас именно на стыке дисциплин возможны самые прорывные открытия и передовые разработки. Один пример: чтобы сделать искусственный глаз, нужны специалисты как минимум из 16 направлений. Значит, надо создать условия для их совместной работы. В науке задачи часто быстро меняются, и иногда нужно очень быстро переориентироваться. Организациям порой сложно начать быстро делать эти изменения. Физтех может быть той площадкой, где ученые разных направлений могут решать одну задачу: сейчас у нас ведутся проекты на стыке математики и биологии, физики и химии, робототехники и медицины», — ​отмечает Николай Кудрявцев.

Аддитивные технологии на службе медиков

Одним из главных трендов высокотехнологичной медицины в последние годы стало активное внедрение и совершенствование информационных технологий. В сферу здравоохранения они пришли с некоторым запозданием. Тем не менее массовое внедрение IT в медицину привело к возникновению целого научного направления — ​медицинской информатики. В частности, информационные технологии медицины включают в себя современнейшие биочипы-имплантаты, медицинские приложения, мобильные диагностические устройства, программное обеспечение электронных карт здоровья пациента и другие инновации, присущие современной науке.

Российские научные и производственные организации активно занимаются этим направлением. Так, как рассказал «Здравоохранению России» и. о. проректора по научно-исследовательской работе и инновационной деятельности ДГТУ Олег Полушкин, для применения в челюстно-лицевой хирургии в университете разрабатывается программный комплекс для анализа данных магнитно-резонансной и компьютерной томографии. «В основу работы ученых положено применение аддитивных технологий, что позволит не только проектировать протезы и автоматически определять зоны фиксации титановыми винтами еще на этапе предоперационной подготовки, но и облегчить моделирование неповрежденных участков костной ткани», — ​пояснил Полушкин.

Производство высокоточных металлических комплексов для имплантации с помощью 3D-технологий должно быть создано в ближайшее время на Урале, разработку ведут ученые Института новых материалов и технологий (ИНМиТ) Уральского федерального университета. По словам руководителя проекта от университета, заведующего кафедрой термообработки и физики металлов ИНМиТ Артемия Попова, это позволит изготавливать для каждого человека в отдельности те заменители, которые необходимы именно ему. «С титаном мы работаем уже 40 лет. Это единственный биосовместимый материал, использующийся для изготовления имплантатов. Аддитивные технологии производства позволят компенсировать человеку потери, связанные с травмами различного характера», — ​уверен Артемий Попов.

Имплантаты нового поколения

Одним из ключевых направлений для разработок в сфере здравоохранения является разработка технологий и материалов медицинского назначения для реабилитации пациентов и повышения качества их жизни. Так, как рассказали «Здравоохранению России» в лаборатории медицинских материалов Томского государственного университета, здесь группа ученых и исследователей из университета ИФПМ СО РАН, НИИ онкологии Томского НИМЦ занимается созданием имплантатов из пористой нанокерамики, обладающих высокой биомеханической совместимостью с тканями пациентов. В 2017 году специалисты НИИ онкологии провели первую в России операцию по закрытию дефекта костных тканей лица с помощью такого имплантата.

В настоящее время проведено уже пять успешных операций, томские онкологии под руководством директора ТНИМЦ академика Евгения Чойнзонова проводят исследования по этой тематике. Результатом работы ученых станут рекомендации, которые помогут внедрять новую медицинскую технологию в других клиниках РФ. «Нужно отметить, что материаловедение — ​это одно из приоритетных и наиболее развитых направлений нашего университета. Недавно ученые НИИ медицинских материалов и имплантатов с памятью формы ТГУ совместно с научно-производственным предприятием «МИЦ» создали и запатентовали новый инкубатор, выполненный из тонких нитей никелида титана, для введения клеток в травмированный организм человека. Он предназначен для замещения функций поврежденного травмой или заболеванием человеческого органа и в перспективе позволит вывести оказание медицинской помощи на качественно новый уровень», — ​говорит директор САЕ «Институт биомедицины» ТГУ Юрий Кистенев.

В ДГТУ реализуется проект по разработке автоматизированного комплекса для реабилитации пациентов, перенесших операции на коленных и тазобедренных суставах. Новая технология позволит пациентам быстро проходить поэтапное восстановление максимально комфортно и эффективно. Кроме того, по словам Олега Полушкина, здесь работают над созданием биосовместимых материалов для глазного и зубного протезирования. Разработки ведутся совместно с привлечением ведущего ученого, профессора Сиднейского университета Свэйна Майкла Винцента и экспертов в области медицины из Ростова-на-Дону и Санкт-Петербурга.

Один из крупнейших отечественных технических вузов МФТИ активно занимается исследованиями в сфере регенеративной медицины, задачей которой является восстановление поврежденных или утраченных органов человеческого организма. Тканевая инженерия часто является единственным способом, позволяющим восстановить функции такого важного органа, как сердце, и добиться реабилитации человека. Ученым при создания ткани для «заплаток» органов необходимо исследовать не только свойства самих клеток ткани, но и их взаимодействие с подложкой, окружающим питательным раствором и соседними клетками. Так, научная группа биофизиков под руководством профессора Константина Агладзе изучила структуру подложки из полимерных нановолокон и механизм ее взаимодействия с сердечными клетками. Ученые выяснили, что мышечные клетки — ​кардиомиоциты — ​при росте обволакивают нановолокна, а клетки соединительной ткани — ​фибробласты — ​опираются на нановолокна с одной стороны. «При помощи трех независимых методов мы показали, что кардиомиоциты, развиваясь на подложке из нановолокон, покрывают их со всех сторон и в большинстве случаев приобретают форму «футляра». Фибробласты же имеют более жесткую структуру и меньшую площадь взаимодействия с нановолокнами, поскольку опираются на них лишь с одной стороны», — ​пояснил Константин Агладзе, уточнив, что данное исследование и дальнейшее понимание механизма взаимодействия сердечных клеток с подложкой позволят успешно создавать нановолокна для формирования необходимых свойств клеток и, соответственно, регенеративных тканей.

Медицинский факультет Новосибирского государственного университета совместно с компанией «Ангиолайн», которая является разработчиком и производителем медицинских изделий для интервенционной кардиологии, разработала коронарный стент с полностью биорезорбируемым покрытием, содержащим сиролимус (рапамицин) — ​высокоэффективный лекарственный агент для предотвращения рестеноза. Эти стенты, как рассказали в пресс-службе вуза, запущены в серийное производство. «Ангиолайн» до этого производила стенты, не содержащие биорезорбируемое покрытие. Основной задачей было подобрать состав биодеградируемого покрытия, который должен обеспечить требуемую динамику освобождения сиролимуса — ​высокие концентрации в первые несколько суток и затем более низкую скорость высвобождения на протяжении 2 месяцев. В НГУ проводились исследования по определению концентраций высвобождаемого соединения с использованием методов ВЖХ и хроматомасс спектрометрии», — ​сообщили в университете.

Новые лекарства от старых болезней

За последние годы практически все ведущие вузы России создали у себя специальные подразделения, которые целенаправленно занимаются медицинскими исследованиями и ноу-хау, что резко повысило их продуктивность в этом направлении. Так, в 2014 году медицинское направление в ТГУ получило новый мощный импульс — ​в университете был создан Центр высоких технологий в области медицины, который сфокусировался на разработке новых технологий для диагностики и лечения социально значимых заболеваний, включая онкологические заболевания и заболевания сердечно-сосудистой системы. В структуру центра входят лаборатории мирового уровня, в которых работают ведущие российские и зарубежные исследователи.

«В основе технологий, создаваемых в Томском государственном университете, лежат методы клеточной и молекулярной биомедицины, потому что именно на этом уровне возникают первые изменения, которые позже можно зафиксировать еще до появления клинических симптомов, — ​рассказывает Юрий Кистенев из ТГУ. — ​Одним из актуальных и очень перспективных направлений сегодня является поиск молекул-маркеров, позволяющих диагностировать заболевания на ранней стадии, проводить исследования патологических изменений на клеточном уровне». В ТГУ такие исследования проводит лаборатория трансляционной клеточной и молекулярной биомедицины ТГУ, которой руководит приглашенный профессор Гейдельбергского университета (Германия) Юлия Кжышковска.

Медицинские исследования и разработки в Казанском федеральном университете ведутся на базе специально созданного биомедицинского кластера, куда, помимо целого ряда научных институтов, входит даже собственная клиника. Университету есть чем похвастаться в части генерации ноу-хау для медицины, уверяют в его пресс-службе. Так, например, исследователи Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета разрабатывают механизм доставки лекарственных препаратов на основе микровезикул из клеток человека, которые доставляют биологически активные молекулы от клеток, в которых они образуются, в клетки мишени.

В своем исследовании, опубликованном в журнале BioMed Research International, ученые показали, что микровезикулы доставляют свое содержимое главным образом путем рецепторного взаимодействия с опухолевыми клетками-мишенями. В будущем научная работа может стать основой для нового класса безопасных и эффективных противоопухолевых препаратов. «На основании полученных данных ученые пришли к выводу, что индуцированные микровезикулы могут в будущем стать основой для нового класса безопасных и эффективных противоопухолевых препаратов», — ​рассказали в пресс-службе КФУ.

Серьезное открытие не так давно было сделано исследователями из МФТИ и ряда институтов США и Китая, которые сумели расшифровать структуру одного из важнейших белков нервной системы в комплексе с несколькими лекарственными молекулами. Эта работа открывает возможности для разработки новых лекарств с контролируемым действием и сниженными побочными эффектами. В опубликованной в научном журнале Cell статье говорится, что многие современные лекарства действуют на белки. Это обусловлено тем, что именно белковые молекулы делают в клетке большую часть физической и химической работы, являются приемниками и передатчиками информации между клетками и так далее. При болезни слаженная работа белков нарушается, а лекарство позволяет восстановить равновесие, на время притормозив или усилив их работу. «Анализ структурных особенностей белка в комплексе с препаратами разной селективности показал свою эффективность: с его помощью мы сможем управлять набором мишеней, а значит, прямым и побочным действием препаратов на этапе разработки. Благодаря этому пациенты смогут получать более эффективную терапию для многих заболеваний с меньшими побочными эффектами», — ​говорит приглашенный профессор МФТИ Всеволод Катрич.

Ученые Уральского федерального университета выиграли открытый конкурс Министерства образования и науки РФ по разработке лекарства для лечения сахарного диабета. Соответствующий госконтракт сейчас находится на стадии заключения.

Проект «Доклинические исследования лекарственного средства, действующего на конечные продукты гликирования коллагена (AGE) и рецепторы к ним (RAGE), для профилактики и лечения осложнений сахарного диабета» реализуется в рамках Федеральной целевой программы «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности РФ на период до 2020 года и дальнейшую перспективу».

Доцент кафедры органической и биомолекулярной химии ХТИ УрФУ Михаил Вараксин отмечает, что в настоящее время фармакотерапия сахарного диабета связана с нормализацией уровня глюкозы в плазме крови, хотя важнейшим этиопатогенетическим фактором развития поздних осложнений при этом заболевании является образование конечных продуктов гликирования в процессе неферментативного гликозилирования (гликирования) белков (реакция Майяра).

«Лекарственных препаратов, разрешенных к клиническому применению, с подобным механизмом фармакологического действия не существует, — ​говорит Михаил Вараксин. — ​В связи с этим создание препаратов, ограничивающих образование конечных продуктов гликирования (AGE) на долгоживущих белках, в частности коллагене, препятствующих их взаимодействию со специфическими рецепторами (RAGE) и, как следствие, блокирующих основные патогенетические пути развития поздних осложнений сахарного диабета (диабетические нефропатия, нейропатия, кардиомиопатия), является чрезвычайно актуальной задачей и имеет важное социально-экономическое значение».

Работа по проекту предполагает проведение доклинических исследований лекарственного средства, действующего на конечные продукты гликирования коллагена и рецепторы к ним для профилактики и лечения осложнений сахарного диабета.

Общее финансирование проекта составит 44 млн рублей, из которых 33 млн будет выделено из федерального бюджета. Остальные 11 млн рублей составит внебюджетное софинансирование. Срок реализации контракта — ​2017‑2019 годы. Соисполнителем проекта является Волгоградский государственный медицинский университет.