Полевой наногоспиталь в микросхеме

Идея портативной крохотной медицинской лаборатории, способной постоянно находиться на теле пациента, автоматически отслеживать основные параметры его здоровья и жизнедеятельности, и при необходимости вмешиваться в этот процесс с помощью инъекций или других способов в общем не нова. Другое дело что до реализации этой идеи на практике руки пока не дошли. Незавершённых концепций по этой теме навыдумывано предостаточно, однако комплексная идеология такой нанотехнологии, требующая совместного труда биологов, медиков, электронщиков и множества других специалистов, до сих пор позволяла "реализовывать" устройства портативной наномедицины лишь в фантастических романах.

Похоже, времена меняются: развитие современной биохимии, медицины и электроники вышло на уровень, когда от виртуальных концепций можно и нужно переходить к практической реализации "наногоспиталя" в микросхеме.

Как обычно это делается в разделе "IT-байки", для начала у нас находится какой-то новостной предлог, затем на поверхность поднимается тема в целом. Сегодня предлогом для разговора о портативных системах автоматической экстренной медицинской помощи стала публикация пресс-релиза на сайте Калифорнийского Университета Сан Диего (UC San Diego), инженерный факультет которого получил от Департамента военно-морских исследований США (U.S. Office of Naval Research, ONR) грант в размере $1,6 млн. на финальную разработку того самого "полевого госпиталя в микросхеме", разумеется, для военных нужд. В настоящее время проект, развивающийся в рамках широкомасштабной программы Autonomous Devices for Advanced Personnel Treatment (ADAPT), носит название "Use of enzymes as "logic gates" for sensor fidelity and control".

Принцип действия разрабатываемой в UC San Diego автоматической системы диагностики и лечения основан на постоянном мониторинге состава пота, крови и целостности кожного покрова посредством специальных биологических маркеров.

Поскольку на данном этапе речь идёт о разработке преимущественно для армейских нужд, в публикации в качестве наиболее наглядного примера применения системы фигурирует сражающийся солдат. И не случайно, поскольку именно на поле боя возникает необходимость экстремально срочной медицинской помощи от самых разнообразных и непредсказуемых ран.

По словам Джозефа Ванга (Joseph Wang), профессора кафедры прикладной наноинженерии (NanoEngineering) при инженерном факультете Калифорнийского Университета Сан Диего (UC San Diego), большинство смертей в современном бое происходит в течение первых 30 минут после ранения. Быстрая диагностика и оперативное лечение являются наиболее критичными факторами для снижения боевых потерь в целом и выживания раненых солдат в частности.

Сигналы, подаваемые различными биологическими маркерами, позволяют производить диагностику наиболее типичных травм, получаемых солдатами на поле боя - таких как контузии, сотрясения, черепно-мозговые травмы и даже физическая измотанность, усталость. Как только система обнаруживает боевое ранение, начинается действие автоматической системы диагностики и соответствующего лечения. Благодаря оперативному медицинскому вмешательству портативного "наногоспиталя в чипе", солдат имеет шансы дотянуть до полевого госпиталя, где ему будет оказана полноценная медицинская помощь.

Что необходимо для реализации этой идеи на практике? Прежде всего, портативный полевой "госпиталь в микросхеме" должен быть наименее обременителен для постоянного ношения, и в то же время обеспечивать одновременный мониторинг огромного числа биомаркеров. Вместе с этим система должна обладать достаточной производительностью и "интеллектом", чтобы успевать обрабатывать данные биомаркеров в режиме реального времени и немедленно ставить автоматический, но при этом максимально точный диагноз. Диагноз, в свою очередь, немедленно инициирует инъекцию лекарства или какой-то другой вид медицинского вмешательства.

Пример оперативного воздействия автоматической медицинской системы на организм раненого солдата максимально сложен - слишком уж непредсказуемы и разнообразны возможные способы покалечиться в бою. Вполне очевидно, появись такие системы даже завтра, всегда найдётся что усовершенствовать. Мне первым делом так и вовсе почему-то представилась самая первая бета-версия системы, которая только и умеет что автоматически впрыскивать перед боем в ягодицу воина кубик спирта. Ничего, кстати, смешного, это гораздо гуманнее "ста грамм для храбрости", традиционно вводившихся, пардон, орально.

Команда профессора Ванга, кстати, также участвует в разработке уникальной бесконтактной системы мониторинга здоровья диабетиков, где "умные" биологические сенсоры контролируют уровень глюкозы в крови через выделения потовых (!) желез пациента. По его словам, в настоящее время разрабатывается гибкая комплексная система, способная подстраиваться для мониторинга самых разнообразных биологических маркеров и принимать решение об оперативном медицинском вмешательстве при широком спектре случаев травматизма или обострения болезни. Разумеется, никто не говорит о полном излечении с помощью такой портативной техники, комплексное лечение и профилактика "на ходу" - пока перспективы будущего. Сегодня же главная цель - оказание первой неотложной помощи серьёзно пострадавшим, что позволит избежать неминуемого летального исхода и даст дополнительное время для обращения к специалистам в госпитале или больнице.

Ключевая проблема, стоящая перед исследователями - разработка эффективного интерфейса, передающего сложный и порой противоречивый поток сведений о физиологических процессах компактной "интеллектуальной" электронике в понятном ей виде. Надеваемая, а в перспективе и вживляемая медицинская система должна обеспечивать широкие возможности биомедицинского воздействия в автономном режиме, с учётом индивидуальных способностей каждого организма, оказывая медицинскую помощь "по требованию" в максимально сжатые сроки.

Каким образом планируется достичь высокой скорости автоматической диагностики? Для этой цели разработчики планирую использовать так называемую "систему логики ферментов " (энзимов), совсем недавно разработанную Евгением Катцем (Evgeny Katz) и Милотоном Керкером (Milton Kerker) с кафедры химических и биомолекулярных наук Кларксоновского Университета (Clarkson University). Объясняя схематически, ферменты, (или энзимы), как выяснилось, позволяют не только отслеживать и измерять состояние биомаркеров, но также обеспечивать минимальный набор логических операций, необходимых для первичной диагностики по набору основных "биологических переменных". Именно поэтому процесс получил название "ферментной логики" - Enzyme Logic.

На данном этапе основной задачей лаборатории профессора Ванга является "подключение" системы ферментной логики к специальным гибким электродам, чувствительным и одновременно безопасными для постоянного контакта с человеческим организмом. В настоящее время в лаборатории NanoEngineering в качестве ключевого элемента "госпиталя на чипе" проходят испытания образцы таких электродов, что показано на фото ниже.

Типичными образцами биомаркеров, на отслеживании которых базируется новая система, учёные называют лактат (выделения солей молочной кислоты), содержание кислорода, концентрация постганглионарного адренергического медиатора норадреналина (или на американский лад - норэпинефрина, norepinephrine), а также уровень глюкозы. Именно эти биомаркеры станут источниками биологической системы "ввода данных" для прототипа логической системы "госпиталя в чипе".

Далее - дело за электродами, в качестве "датчиков" которых выступают комбинации различных ферментов. Именно на этом этапе осуществляется "логическое опознавание" биомаркеров "подхват" информации следующим ферментом для произведения простейших логических операций. По аналогии с АЦП - аналогово-цифровым преобразованием сигнала, этот интерфейс по праву заслуживает наименования вроде БЦП - биологически-цифровой преобразователь. Именно так, поскольку на выходе выше упомянутых электродов как раз получаются последовательности нулей и единичек, по сути означающих тот или иной диагноз.

Дальше проще - каждая последовательность сигналов инициирует активацию определённого набора "интеллектуальных" медикаментов, приступающих к немедленному лечению на основании "выписанного диагноза". Доступный пример: раненый солдат, находящийся в шоковом состоянии. Ферменты, находящиеся на концах электродов, немедленно реагируют на растущий уровень биомаркеров лактата, глюкозы и норадреналина. Концентрация продуктов деятельности ферментов изменяется в сторону значительного роста выделения перекиси водорода, снижения норепри-бензоквинона, снижения NAD+ (динуклеотида аденина никотинамида) и повышения его производной NADH. Полученная логическая последовательность нулей и единиц, по задумке, должна чётко указывать на тот факт, что пациент находится в шоковом состоянии, благодаря чему  биокомпьютер  немедленно реагирует выделением предусмотренных в таком случае лекарств.

Учёные честно признают, что в настоящее время находятся лишь в самом начале разработки проекта. Ближайшие два года лаборатория профессора Ванга намерена посвятить главным образом разработке системы сенсоров и интегрированию специфических ферментов в электроды, способных "считывать" непосредственно с человеческого тела необходимую информацию.

Финальной стадией проекта, рассчитанного на четыре года, учёные видят разработку работающего прототипа системы, способного распознавать различные комбинации повреждений организма на основании информации биомаркеров и работы ферментной логики. В то же время учёным придётся потратить немало времени на разработку специальных чувствительных мембран, способных производить лекарства в необходимых количествах и ассортименте. До сих пор также не решён вопрос с разработкой коммуникаций между сенсорами и собственно системой доставки лекарственного вещества непосредственно к участку его действия. Какой именно будет эта система - электрической или оптоэлектронной, предстоит решать после многочисленных экспериментов.

На самом деле процесс создания подобной системы может оказаться гораздо сложнее чем получилось в моём описании вроде "раз - и в дамки", и затянуться на долгие годы. Представьте, на каком-то этапе вдруг обнаружится несовместимость ферментных композиций ни с одним материалом электродов. Или совместимые ферменты и электроды не смогут контактировать с кожей человека без аллергий и воспалений. Такое случалось не раз, но рано или поздно решение всё же находится. Главное - двигаться в нужном направлении, а с этим, похоже, у учёных из Университета Сан Диего всё в порядке.

Кстати, логические строчки, генерируемые "ферментной логикой" хорошо, но совсем не обязательно передавать непосредственно на систему подачи лекарства. И если на каком-то этапе проблемой станет разработка генерирующих лекарства мембран или систем доставки лекарств по организму, можно передать сигналы биохимического диагноза на расстояние, командиру подразделения или полковому врачу, которые получат дополнительную возможность оперативного вмешательства в ход событий, перестановки бойцов, отзыва раненых в тыл или немедленной высылки медперсонала для эвакуации раненых.

Приведённый выше случай автоматической армейской наномедицины - пример комплексный и достаточно сложный. В мирной жизни также найдётся множество ситуаций, когда немедленное медицинское вмешательство может спасти чью-то жизнь. Например, диабетикам, которые остро нуждаются в постоянном автоматическом мониторинге уровня глюкозы и инсулина в крови. Или гипертоникам, у которых зачастую наблюдается не столько "подпорченное" физическое состояние, сколько полная невозможность делать что-либо креативное из-за элементарно "раскалывающейся" головы.

Различные бытовые случаи, когда срочный укол спасёт от отравления несвежей шаурмой, от утреннего похмелья, внезапной венерической инфекции и прочего, вы можете нафантазировать без меня.

Скажу больше: зачастую никакого "укола" и не требуется. Подобной системе вполне достаточно просигнализировать нам каким-либо аудио/видео/вибро способом, вроде послания "прими аспирин, у тебя спина белая". Главное - среди утренних часов, очков и прочих штанов не забыть портативный центр медицинской помощи, каким бы он ни был - надеваемым на запястье, щиколотку, предплечье; встроенным в жилет, каску, пояс или нижнее бельё.