Разработку нового, а главное – эффективного лекарства можно сравнить с настоящим чудом. Это связано с немалыми финансовыми затратами, времени, человеческих ресурсов.

В журнале Nature Biotechnology были опубликованы результаты исследования, которое было проведено организацией Insilico Medicine (Гонконг). Благодаря искусственному интеллекту есть возможность создать новое лекарство. Для этого понадобится пара недель, что больше чем в десять раз превышает возможности традиционных способов.

Нейросеть, созданная силами ученых гонконгской научной организации, получила название GENTRL, в котором закодирован секрет успешности – generative tensorial reinforcement learning. По-русски это звучит так: генеративное тензорное обучение с подкреплением. Вдаваться в теорию не стоит, нас интересует итог. 

Перед нейросетью организация Insilico Medicine установила задачу: найти методики лечения фиброза – болезни, вследствие которой увеличиваются соединительные ткани на органах, препятствуя их правильному функционированию. В итоге:

• нейросети GENTRL понадобился почти месяц (21 день), чтобы найти мощный лекарственный препарат;
• 25 дней понадобилось для тестирования фармакологической кинетики лекарства;
• было потрачено $150 тысяч.

По сообщению журнала Forbes, биотехнологическая компания Genentech потратила 8 лет и сумму в несколько миллионов долларов на разработку этого лекарства традиционным способом.

Нейросеть от Insilico Medicine – прорыв в медицине

Несмотря на то, что на разработку препарата ушло меньше времени и финансовых ресурсов, компания не считает лекарственное средство эффективнее ныне использующихся. Но потраченное время и финансовые средства доказывают, что найти нужное лекарство можно гораздо быстрее, чем при традиционном методе. Это в очередной раз подтвердило, что системы искусственного интеллекта имеют огромные перспективы в области создания новейших лекарственных препаратов. Сегодня задача ученых – усовершенствовать методики и выяснить уровень результативности новых средств для лечения заболеваний, разработанных нейросетью GENTRL. 

Первое исследование организацией было проведено в 2016 году. Это позволило привлечь инвестиции, несмотря на немаленькую конкуренцию в секторе биотехнологий и систем искусственного интеллекта. Согласно сведениям Pitchbook, уже сейчас гонконгская компания смогла привлечь около $24,3 млн от венчурных инвесторов, среди которых Juvenescence и A-Level Capital. При этом стоимость самой организации измеряется в сумму $56 млн. В секторе биотехнологий у Insilico Medicine есть ряд партнеров, включая таких гигантов, как TARA Biosystems и A2A Pharmaceuticals.

Insilico не уступает, открыто заявляя о своих амбициях. Так, компания сопоставляет нейросеть GENTRL с алгоритмом от Google DeepMind – AlphaGo. Такое заявление говорит об одном: организация хочет быть на шаг впереди своих конкурентов – фирмы Genentech.

Захари Хендриксон, эксперт Business Insider, отмечает, что Insilico Medicine осуществила настоящий прорыв в фармацевтике. Исследования говорят, что искусственный интеллект обладает немалым потенциалом в создании лекарственных препаратов. Т. е. фармацевтические компании могут сэкономить годы работы и миллионы долларов. 

Биотехнологические организации в системе искусственного интеллекта развиваются благодаря инвесторам, которые оценивают реальное сокращение расходов на разработку лекарств. Только в 2018 году в стартапы по поиску и разработке лекарств было вложено $1 млрд.

Несколько секунд для создания нового органа

К чудесам в новых медицинских технологиях можно отнести биопечать. Не так давно появилась информация о том, что ученые научились печатать органы и ткани на 3D-принтере. Однако даже эту технологию отнесли к устаревшей по одной причине: данные манипуляции отнимают много времени и средств. Ученые из Нидерландов и Швейцарии пошли еще дальше и изобрели другой, более усовершенствованный способ биопечати, на который требуется всего несколько секунд.

Проблема 3D-печати заключается в медлительности, поскольку материал наносится на пласт послойно. Кроме того, нет возможности создавать органы со сложным внутренним устройством.

Ученые из Лаборатории прикладных фотонных устройств создали другой способ, ускоряющий процесс 3D-печати. Информация об этом была опубликована в материале «Объемная биопечать сложных конструктов живой ткани в течение нескольких секунд». Уникальность новой технологии заключается в возможности параллельно сформировать орган по необходимому размеру. Происходит это следующим образом:

1. На вращающуюся трубку, внутри которой находится биосовместимый гидрогель со стволовыми клетками, передается луч лазера.
2. Формируются ткани с фокусировкой энергии света в нужных местах.
3. Через несколько секунд в гидрогеле возникает трехмерная форма.
4. После этого вводятся эндотелиальные клетки для формирования в ткани сосудистой сети.

Т. е. благодаря размерной биопечати за небольшое количество времени создается новый жизнеспособный орган. При пересадке он не будет вызывать отторжения со стороны иммунной системы. По словам ученых LAPD, благодаря этому подходу они смогли сформировать тканевую структуру в несколько сантиметров. Среди примеров работ – легочная артерия, бедренная кость, сердечный клапан, мениск коленного сустава. 

Ученый Дэмиен Лотери, один из участников научной команды, отмечает, что новая методика биопечати намного быстрее. Кроме того, дееспособности клетки ничто не угрожает. А, по словам исследователя Пола Делрота, свойства человеческой ткани в большей степени основаны на сложной системе. Возможность воссоздать ее позволяет применять разработку для решения реальных клинических задач.

Благодаря этой технике у медицинских лабораторий есть уникальная возможность создавать искусственные органы, ткани в больших количествах за короткий отрезок времени. Кроме того, новая технология позволит избежать испытаний на животных.

В планах ученых распространять эту технологию на медицинском рынке, поскольку ткани и органы, созданные при помощи биопечати, прекрасно подойдут для испытаний и создания новых медикаментов. Также их можно будет применять для реабилитации поврежденных тканей и замены многих органов в человеческом организме.

Кристофер Мозер, возглавляющий LAPD, отмечает, что новый метод может применяться для изготовления ряда клеточных тканей, имплантатов и медицинского оборудования.

Разработка iPS-клеток: Нобелевская премия оправдана

Когда дело касается использования стволовых клеток для генерирования человеческих органов, стоит сделать акцент на iPS-клетках, которые также применяются для этого. iPS-клетки – это индуцированные плюрипотентные стволовые клетки:

1. Название плюрипотентных клетки получили за счет своей функции – возможности превращаться в элементы других тканей и органов при размножении. Как правило, такую возможность имеют эмбриональные стволовые клетки. Взрослый человек обладает малым количеством таких клеток. Извлечь их весьма сложно, поскольку в большей степени эти клетки расположены в костном мозге. Размножаясь, стволовые клетки преобразовываются исключительно в составные части некоторых органов и тканей.
2. Индуцированные – это стволовые клетки, приобретенные посредством перераспределения обычных (к примеру, клетки кожи). Первым ученым, кто получил Нобелевскую премию в области медицины и физиологии, стал профессор японского Института медицинских наук Киотского университета Синъя Яманака. В 2006 году им были разработаны и внедрены iPS-клетки. 

Но научный прогресс в медицине движется вперед, из года в год разрабатываются новые способы использования стволовых клеток. Однако испытания на человеке проходят далеко не часто. Но информация о том, что в ближайшее время планируется ввести в практику этот метод, была принята на должном уровне. Не так давно было выполнено первое тестирование на человеке – сделана операция по пересадке роговицы с внедрением iPS-клеток.

Роговая оболочка – ключевой элемент глаза. Роговица выполняет важнейшую функцию – сбор и фокусировка световых лучей. Таким образом, когда роговая оболочка теряет свою функциональность, человеку грозит слепота. 

Профессор Осакского университета Коджи Нисида собрал конференцию и известил о пациенте, роговая оболочка которого была восстановлена благодаря iPS-клеткам. Как правило, для таких операций чаще всего используют донорскую оболочку, которую берут у покойных людей. Но по анализу японского Министерства здравоохранения, пересадку роговой оболочки глаза ожидает ни много ни мало, а 1600 пациентов. Исходя из этого, было принято решение воспользоваться новым методом пересадки.

Для лечения пациентки профессора Нисида задействовал iPS-клетки, главная особенность которых заключается в возможности превращаться в другие клетки. Из iPS-клеток была выращена новая роговая оболочка, которая и стала донорским материалом. Реабилитация после операции заняла месяц, за это время к пациентке вернулось зрение.

На тот момент ученые следили за женщиной, чтобы убедиться в надежности и результативности необычного трансплантата. По мнению команды врачей, пересадка донорского материала с iPS-клетками может быть эффективной на протяжении жизни человека.

Впереди всех

В научном журнале Nature было отмечено, что Япония – страна, которая быстрыми темпами идет к разрешению применения iPS-клеток. Подтверждение тому – операции с применением методик iPS-клеток, проведенные командой медиков Осакского университета. Изначально подобное оперативное вмешательство было проведено институтом RIKEN в 2014 году. Тогда медики выполнили трансплантационную операцию с возможностью внедрения iPS-клеток по замене сетчатки глаза пациентке в возрасте 70 лет, у которой была диагностирована возрастная макулярная дегенерация. Другой пример использования iPS-клеток – лечение страдающего болезнью Паркинсона в 2018 году. 

Возвращаясь к японским ученым, следует отметить, что Министерство здравоохранения дало зеленый свет команде профессора Нисиды, разрешив провести операции на еще четырех желающих. Процедура, прошедшая испытания, может появиться уже через несколько лет, что позволит использовать новые методы лечения в других клиниках.

Согласно данным журнала JAMA Ophthalmology, в мире примерно 12,7 млн человек находятся в ожидании операции по трансплантации роговой оболочки глаза. Поэтому на сегодня важным этапом в медицине является разработка дополнительных шагов, таких как биоинженерия роговой оболочки. Разработанная учеными из Японии методика по внедрению iPS-клеток как раз и является этим революционным шагом в медицине.

Новые открытия по замещению стволовых клеток

Физиология и анатомия человека изучалась долгое время. Но и сейчас здесь есть место новым открытиям. Так, ученые Центра стволовых клеток и регенеративной медицины Королевского колледжа Лондона выявили новый вид клеток печени, название которых hepatobiliary hybrid progenitor. Они обладают качествами стволовых клеток, но не являются таковыми.

HHyP-клетки образуются в период раннего внутриутробного развития плода и сохраняются в малом количестве у взрослых людей. Их главное свойство – возможность преобразовываться в два основных вида клеток печени – холангиоциты и гепатоциты. Для понимания: подобным свойством обладали исключительно стволовые клетки.

По словам автора исследования доктора Тамира Рашида, научное открытие того, что в человеческой печени имеются клетки с характеристиками стволовых, позволяет использовать их в лечении заболеваний этого органа. Это дает возможность исключить возможную пересадку печени. 

На сегодня единым вариантом лечения заболеваний печени является пересадка органа, которая доступна не всем. К тому же существует вероятность получить осложнения. HHyP-клетки открывают новые пути в этом лечении. На данный момент новейшие методики лечения находятся в стадии разработки.

Кроме того, есть версия, что HHyP-клетки есть и в других человеческих органах. Если это так, что обновить органы можно будет без трансплантации. А вот когда наступит это время, сказать пока сложно.

Возможность проведения точной диагностики без прямого участия врача

Сравнивая медицину прошлых лет и современные методики лечения, хочется отметить следующее. Сегодня применяется множество прогрессивных и новых способов определения заболеваний. С развитием новейших технологий уже сейчас можно провести точную диагностику заболеваний без прямого участия врача.

Это связано с тем, что современная методика анализа данных позволяет поставить более точный диагноз, сравнивая анализы с подобными в выборке. Новейшая разработка – система «Прогноз», которая дает возможность определить заболевание, поставив диагноз, за короткий промежуток времени. Так, достаточно лишь пройти анкетный опрос в системе и получить результат на основе введенных данных. 

Разработка новых технологий в медицине, как-то возможность пересадки органов с использованием iPS- и HHyP-клеток, увеличивает вероятность проведения диагностики и постановки точного диагноза пациенту даже без прямого участия врача. 

Подобные разработки свидетельствуют о том, что медицина в скором времени станет приоритетным направлением в развитых странах. Уже сегодня на такие исследования выделяются немалые суммы, а инвесторы, видя их результат, готовы вкладываться в новые технологии.