Ateities medicina ir farmacija

Free Register

Antonas Čechovas svajojo pamatyti, kaip atrodys medicina po šimto metų, t.y. mūsų laikais. Įdomu, kaip sektųsi rašytojui glaustai paaiškinti pastarojo šimtmečio pagrindinius medicinos mokslo pasiekimus? Nuo ko reikėtų pradėti? Antibiotikai, vakcinacija, organų transplantacija, genomo sekvenavimas…  Visi šie pasiekimai, suprantama, yra efektingi, tačiau tai viso labo tik priemonės, kuriomis buvo siekiama rezultato. O rezultatas tikrai įspūdingas – per XX amžių vidutinė gyvenimo trukmė išsivysčiusiose pasaulio šalyse išaugo nuo 45 iki 77 metų! Manoma, kad jeigu ši tendencija nesikeis, tai daugelis 2000 metais išsivysčiusiose šalyse gimusių vaikų sulauks 100 metų. Suprantama, kad toks dramatiškas gyvenimo trukmės pailgėjimas nėra vien tik ištobulintų medicinos technologijų rezultatas. Gyvenimo trukmei labai didelę reikšmę turėjo pakilęs bendras gyvenimo lygis bei pagerėjusios sanitarinės sąlygos. 

Galvojant apie ateitį, kartais pravartu pažvelgti, kaip ją matė mūsų pirmtakai. Pastaraisiais metais netgi susiformavo nauja tyrinėjimų sritis – paleofuturologija. Jos tikslas – rinkti informaciją apie tai, kaip praeities futurologai prognozavo ateitį. Žvelgiant į praeities futurologų vizijas dažnai ima juokas, tačiau, kai kuriose iš jų galima aptikti genialių įžvalgų. Kita vertus, neverta pamiršti, kad mes interpretuojame šias įžvalgas iš dabarties pozicijų, nežinodami kas iš tiesų dėjosi autoriaus galvoje. Štai, pavyzdžiui, kaip XIX amžiaus pabaigoje autorius įsivaizduoja ateities mokyklą 2000-aisiais metais (Pav. Nr. 1).

1

Atkreipkite dėmesį į mokytoją, kuris tam tikro aparato pagalba ,,ekstrahuoja’’ žinias iš vadovėlių ir tiesiogiai per laidus ir ausines perduoda jas savo mokiniams. O štai, kaip tais laikais buvo  vaizduojamos videokonferencijos, dabartinio Skype analogai (Pav. Nr. 2).

2

Tvirtas autoriaus (-ių) įsitikinimas, kad XIX amžiaus pabaigos mados nebesikeis niekada kelia šypseną, tačiau pripažinkime, kad abiem atvejais tendencijos buvo nuspėtos teisingai. Pirmuoju atveju, apie būsimą visuotinį analoginės informacijos nešėjo (knygos) perkodavimą į kitus formatus. Kitu atveju – apie vaizdinės informacijos konvertavimą į elektros impulsus, jų perdavimą ir atkūrimą.

Kalbėdami apie ateities mediciną bandysime išskirti ir aptarti tas tendencijas, kurios, mūsų manymu, lems mokslo pažangą artimiausiais metais. Taip pat pabandysime prognozuoti, kaip būsimi pokyčiai galėtų pakeisti sveikatos apsaugos sistemą bei, platesniu mastu, visos visuomenės gerbūvį. Rengdami prognozes, rėmėmės prielaida, kad per artimiausią laikotarpį žmonijai pavyks išvengti globalių gamtinių ar antropogeninės kilmės kataklizmų, kurie sustabdytų mokslo progresą. 

Šiuo metu pasaulyje vyksta keletas technologinių revoliucijų. Pabandysime išskirti procesus, kurie turės kritinį poveikį ateities medicinai.

Visuotinė medicininės informacijos skaitmenizacija. Sutariama, kad artimiausiu laikotarpiu visa klinikinė, vaizdinė ir laboratorinė-molekulinė informacija apie pacientus bus kaupiama skaitmeniniu pavidalu. Tokiu būdu sukauptus informacijos masyvus bus žymiai lengviau panaudoti plataus masto klinikiniams tyrimams, sveikatos apsaugos procesų optimizavimui, taip pat diegiant personalizuotas pacientų gydymo strategijas. Visuotiniam medicininės informacijos skaitmeninimo procesui daug dėmesio skiria B. Obamos vyriausybė. Pagal HITECH (angl. The Health Information Technology for Economic and Clinical Health Act) programą į šią sritį bus investuota apie 44 milijardai dolerių. Nuo 2015 metų numatytos finansinės sankcijos sveikatos priežiūros įstaigoms ir gydytojams, kurie saugo sveikatos duomenis ne elektroniniu būdu (angl. electronic health records, EHRs)

Debesų kompiuterijos (angl. cloud computing), didelių duomenų masyvų (angl. big data) ir dirbtinio intelekto technologijos. Šios technologijos leis pasiekti kokybinį proveržį panaudojant skaitmenizuotą medicininę informaciją. Svarbu, kad nauji didelių duomenų masyvų analizės algoritmai padeda atrasti naujus reiškinių ir procesų dėsningumus. Tai jau dabar pradeda tiesiogiai veikti įvairias mūsų gyvenimo sritis. Daugelis stambių valstybinių ir privačių korporacijų per pastaruosius dešimtmečius sukaupė gigantiškus informacijos masyvus, kurie gali būti panaudoti įvairiems tikslams. Jau dabar yra sėkmingai naudojama informacija apie klientų internetinį aktyvumą rinkodaros tikslais. Pavyzdžiui, viena kompanija, gaminanti nėščiųjų priežiūros produktus, siekė kuo anksčiau identifikuoti potencialias klientes (angl. target group; liet. tikslinė grupė). Šį uždavinį išsprendė didelių duomenų masyvų analitikai, kurie panaudoję retrospekcinę analizę nustatė, kad ankstyvos nėštumo stadijos metu moterys yra labiau linkusios pirkti tam tikrus maisto papildus internete. Tokiu būdu, kompanija-užsakovas, panaudojusi big data technologijas, įgavo galimybę anksčiau identifikuoti potencialias klientes. Taip pat visiems gerai žinomi E. Snoudeno paviešinti masinio piliečių sekimo atvejai panaudojant didžiulius mobilių įrenginių generuojamus metaduomenų masyvus. 

Nurodoma, kad medicininės informacijos kiekis padvigubėja kas penkerius metus. Didžioji šios informacijos dalis nėra tinkamai struktūrizuota, gydytojai tiesiog neaprėpia šio srauto. 81 % JAV apklaustų gydytojų nurodė, kad per mėnesį gali skirti 5 ar mažiau valandų susipažinimui su savo srities medicinos naujovėmis. Kita vertus, dabartiniu metu viena iš penkių medicinos diagnozių yra klaidinga. Kiekvienais metais JAV padaroma 1,5 milijono klaidingų klinikinių sprendimų (angl. medication errors). Šios problemos sprendimui IBM kompanijos mokslininkai sukūrė ir pradėjo naudoti dirbtinio intelekto sistemą Watson (Pav. Nr. 3). Svarbu, kad sistema ,,supranta’’ klausimus, užduotus žmogaus kalba, generuoja hipotezes ir gali mokytis integruodama naują informaciją. 

Dabartiniu metu IBM pozicionuoja Watson, kaip klinikinių sprendimų palaikymo sistemą (angl. clinical decision support system). Sistema buvo sėkmingai testuota parenkant optimalų navikinių susirgimų gydymo būdą. Uždavus klausimą, sistema analizuoja visą skaitmenizuotą klinikinę paciento informaciją, tada ją lygina su analogiškais atvejais (kurių gali būti milijonai), palyginama visa šiam atvejui relevantiška klinikinių studijų, mokslinių publikacijų, patentų ir kt. informacija (taip pat milijonai įrašų skaitmeninėse duomenų bazėse) ir suformuluojama rekomendacija, kuri pateikiama, kaip įvairių alternatyvų, įvertintų tam tikru taškų kiekiu (angl. scoring) sąrašas. Dabartiniu metu sistema testuojama Memorial Sloan-Kettering vėžio centre Niujorke bei Klyvlendo Case Western Reserve universiteto ligoninėje. Pirminiai rezultatai rodo, kad sistemos rekomendacijos gali būti naudingos net aukščiausio lygio onkologams. IBM pabrėžia, kad jos kuriamos dirbtinio intelekto sistemos jokiais būdais nepakeis gydytojų, tiesiog palengvins ir padės efektyviau priimti klinikinius sprendimus, padės orientuotis naujos mokslinės informacijos sraute. Manoma, kad netolimoje ateityje tokio tipo sistemos galėtų būti įdiegtos daugelyje specializuotų medicinos centrų. Šios technologijos ateityje gali būti naudingos tiekiant kvalifikuotus medicininius sprendimus pacientams, gyvenantiems toli nuo modernių medicinos centrų. Visuotinė medicininės informacijos skaitmenizacija ir debesų kompiuterijos technologijos suteiks galimybę šias paslaugas tapti potencialiai prieinamomis visiems. Pavyzdžiui, ekonomiškai silpnesnių šalių sveikatos draudimo kompanijos galės pirkti licenzijas, kurios, esant reikalui, leistų pasinaudoti išsivysčiusių šalių medicinos centruose instaliuotomis dirbtinio intelekto sistemomis.  Tai ypač padėtų modernios infrastrukūros ir kvalifikuoto medicinos personalo trūkumo sąlygomis. 

Personalizuotos medicinos įsigalėjimas. Pastarųjų metų technologiniai proveržiai sukuria galimybes kiekvienam pacientui parinkti optimalius individualizuotus gydymo metodus.  Ateityje personalizuotos medicinos metodų įsigalėjimas padės:

  • efektyviau vykdyti ligų prevenciją;
  • iš karto parinkti optimalius farmakoterapijos metodus išvengiant dažnai dabartiniu metu pasitaikančios ,,bandymų ir klaidų’’ (angl. trial and error) taktikos;
  • ženkliai sumažins nepageidaujamą šalutinį vaistų poveikį;
  • padės lengviau ,,pririšti’’ pacientus prie gydymo schemų;
  • ženkliai sumažins išlaidas medicinos apsaugai.

Didžiausią įtaką šių naujų tendencijų įsitvirtinimui daro naujos DNR sekvenavimo technologijos bei medicininių prietaisų miniatiūrizacija ir robotizacija. 

Naujos kartos DNR sekvenavimo technologijos. Žmogaus genomo projektas truko 13 metų ir kainavo apie 1 milijardą dolerių. Per tą laiką technologijos evoliucionavo nuo radioizotopinio Sangerio metodo iki automatizuoto sekvenavimo panaudojant fluorescuojančius žymenis. Tai lėmė dramatišką sekvenavimo kainos mažėjimą. 2001 metais vieno žmogaus genomo sekvenavimas kainavo 100-300 mln. dolerių, o 2007 metais jau tik apie 10 mln. dolerių. Apie 2008 metus, introdukavus antros kartos sekvenavimo technologijas įvyko dar vienas kokybinis lūžis ir genomo sekvenavimo kaina sumažėjo iki 50 tūkstančių dolerių, o 2014 metų sausio mėnesį Illumina kompanija anonsavo prietaisą, kurio dėka galima sekvenuoti žmogaus genomą už 1000 dolerių (neįskaičiuojamos papildomos išlaidos duomenų analizei). Kaip matyti Pav. Nr. 4

4

, biotechnologijos sektorius pralenkė net puslaidininkių pramonę, kurios augimas jau 40 metų vyksta eksponentiškai pagal Mūro dėsnį (angl. Moore’s law). Sutariama, kad 1000 dolerių kaina už vieno genomo sekvenavimą yra ta riba, kurią peržengus metodas pasiteisins ekonomiškai ir galės būti taikomas visuotinai.

Ekspertai prognozuoja, kad pacientų genomo sekvenavimas bus pradėtas per kelerius metus. Tokiu būdu, netolimoje ateityje kiekvieno paciento ar tiesiog medicininį draudimą turinčio žmogaus elektroninėje medicinos kortelėje, be kitų duomenų, bus saugoma informacija apie asmeninę genomo seką. 

Plataus masto (populiacijų) individualių genomų tyrimai padės nustatyti naujas prognostines genų polimorfizmų kombinacijas tokioms ligoms, kaip hipertenzija, aterosklerozė, cukrinis diabetas, neurodegeneracinėms ligoms ir kt. Tokiu būdu bus žymiai lengviau vykdyti šių ligų prevenciją. Pavyzdžiui, žinant, kad žmogus turi didesnę tikimybę ateityje susirgti neurodegeneracine liga, bus galima rekomenduoti atitinkamai koreguoti gyvenimo būdą, dietą, skirti rutininius ankstyvųjų ligos žymenų tyrimus ir t.t. Jau dabartiniu metu kai kurių onkogenų sekų nustatymas plačiai naudojamas prevencinės onkologijos tikslams. Pavyzdžiui, yra net 85 %  tikimybė, kad moterys, turinčios tam tikras genų BRCA1 ar BRCA2 variacijas susirgs krūties vėžiu, tuo tarpu rizika bendrai populiacijai tesiekia 13 %. Tikimybė, kad toms pačioms moterims išsivystys kiaušidžių vėžys yra 60 %, tuo tarpu bendrai populiacijai – 1,7 %. Žinant šią informaciją galima imtis prevencinių priemonių (dažniau atlikti mamografinius tyrimus, vykdyti chemoprevenciją, profilaktinę chirurgiją). Atsižvelgus į genetinio tyrimo rezultatus, Holivudo žvaigždei Angelina Jolie prevenciniais tikslais buvo atlikta abipusė mastektomija. Šis įvykis sukėlė didelį rezonansą pasaulyje, iš dalies dėl to, kad diagnostinis tyrimas yra sunkiai prieinamas eiliniams žmonėms (tyrimus atlikusi kompanija Myriad Genetics vieną testą įkainojo 4000 dolerių). Ši kompanija taip pat yra užpatentavusi BRCA1 ir BRCA2 genų sekas ir trukdo universitetams ar ligoninėms atlikti pigesnius diagnostinius tyrimus. 2013 metais JAV aukščiausias teismas nusprendė, kad natūraliai gamtoje atsirandančios genų sekos negali būti patentuojamos, todėl tikimasi, kad genomikos pasiekimai ateityje bus prieinami visiems pacientams. 

Genetinio testavimo registro duomenimis (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/GTR/)  dabartiniu metu pasaulyje vykdoma 15000 testų, kurie tiria daugiau kaip 2800 genų. Kaip minėjome, šie testai gali padėti nustatyti individo polinkį sirgti tam tikromis ligomis dar prieš išryškėjant klinikiniams simptomams. Pavyzdžiui, nustačius, kad žmogus turi padidėjusią kardiomiopatijos išsivystymo tikimybę galima imtis prevencinių priemonių iš anksto (keisti gyvenimo būdą, pradėti medikamentinį gydymą ir t.t.). Tačiau daugelis minėtų genetinių testų buvo sukurti tik tam tikroms ligoms diagnozuoti, yra pakankamai brangūs, ne visose šalyse prieinami, taip pat jie skiriami tik tais atvejais, kai gydytojas turi svarių įtarimų apie tam tikros ligos išsivystymo riziką. Todėl pilnas paciento genomo iššifravimas situaciją pakeistų iš esmės. Galima būtų iš karto nustatyti, ar yra pakitimų sukeliančių monogenines ligas (vieno geno mutacijų sukeliamos ligos, kurių dabartiniu metu yra žinoma apie 4000), taip pat įvertinti įvairių poligeninių ligų (daugelio genų, bei aplinkos faktorių kombinacijų sąlygojamos ligos, tokios, kaip pirminė hipertenzija, cukrinis diabetas, astma ir kt.) išsivystymo tikimybę ateityje. Poligeninių ligų prognozavimui yra labai svarbi nekoduojančių genomo regionų analizė, kompleksinis įvairių genetinių polimorfizmų įvertinimas. Sukaupę didelį informacijos kiekį apie individualius genomus populiacijų lygyje, galėtume atrasti naujus dėsningumus ir prognostinius poligeninių ligų žymenis.

Posakis ,,one size does not fill all“ (liet. pagal vieną kurpalių visiems batų nepasiūsi) gerai atspindi vieną pagrindinių šiuolaikinės medicinos ir farmacijos problemų – tie patys vaistai skirtingus pacientus veikia nevienodai. Pavyzdžiui, nustatyta, kad 38 % depresija sergančių, 50 % artritu sergančių, 40 % astma sergančių ir 43 % diabetu sergančių pacientų pirmo pasirinkimo vaistas nebus pakankamai efektyvus. Žinoma, kad šiuos skirtumus daugeliu atvejų lemia genų, koduojančių vaistus metabolizuojančius enzimus, baltymus-vaistų transporterius, taip pat baltymus-vaistų taikinius, polimorfizmai. 

Pavyzdžiui, klopidogrelis (clopidogrel) yra krešumą mažinantis vaistas, kuris skiriamas trombozių profilaktikai pacientams po stentavimo. Nustatyta, kad terapinis šio vaisto poveikis priklauso nuo CYP2C19 enzimo, kuris konvertuoja klopidogrelį iš neaktyvios į aktyvią formą. Maždaug trečdalis pacientų turi CYP2C19 genetinį variantą, kuris nepakankamai efektyviai konvertuoja klopidogrelį, todėl trombozių rizika jiems išauga tris kartus. Genetinis testavimas padeda identifikuoti tokius pacientus ir laiku paskirti alternatyvų gydymą (pvz. Prasugrelį).  Kitas pavyzdys – genetinis testas Corus® CAD, padedantis nustatyti koronarinių arterijų obstrukciją. Paciento kraujyje nustatomos 23 specifinių genų RNR, testas yra naudingas koronarinės ligos diferencinei diagnostikai. Žinoma, kad tam tikros proinflamacinio citokino IL-1B geno variacijos skatina IL1 baltymo hiperprodukciją bakterinės periodonto audinių infekcijos sąlygomis.  Kompanija PerioPredict® šiuo pagrindu sukūrė genetinį testą, padedantį identifikuoti periodontozės išsivystymo rizikos laipsnį. 

5

Farmakogenominiai tyrimai ypač sparčiai vystomi onkologijos srityje. Apie 30 % krūties vėžio atvejų pasižymi padidėjusia epidermio augimo faktoriaus receptoriaus (HER2) raiška. Tokioms moterims efektyviai padeda antikūnas prieš HER2 receptorių (Herceptin®). Nustatyta, kad kombinuojant šį antikūną su chemoterapijos priemonėmis recidyvų skaičius skaičius sumažėjo 52 %. Pastaraisiais metais daug dėmesio skiriama naujų melanomos terapijos būdų kūrimui. Vemurafenibas selektyviai blokuoja mutantinę (V600E) B-Raf kinazę (BRAF V600E) melanomos ląstelėse ir sukelia jų apoptozę. Todėl šis vaistas yra skiriamas melanoma sergantiems pacientams, kuriems buvo identifikuota ši mutacija. Įdomu, kad ta pati mutacija yra būdinga ir kai kurioms kitoms vėžio formoms (pvz. kai kurios leukemijos formoms), todėl bandoma šio vaisto naudojimą plėsti. Tačiau plačiausias perspektyvas vėžio diagnostikai ir gydymui atveria genomo sekvenavimo technologijos. Paraleliai sekvenuojant visus paciento sveiko ir vėžinio audinio genus, galima identifikuoti unikalių mutacijų kombinacijas ir, atsižvelgus į tai, parinkti optimalų gydymą. Labai iliustratyvus yra dr. Lukas Wartman pavyzdys (Pav. Nr. 5), kurio sėkmingo gydymo istorija pateikiama žemiau. Daktaras susirgo ūmia limfoblastine leukemija. Taip sutapo, kad ši liga buvo jo ankstesnių tyrimų objektas. Kadangi konvencinis  gydymas nepadėjo, jo kolegos žengė drastišką žingsnį – nusprendė pilnai sekvenuoti Wartman’o vėžinių ir sveikų ląstelių DNR ir RNR. 

DNR sekvenavimas padėjo aptikti daug mutacijų vėžinėse ląstelėse, tačiau ši informacija neatsako į klausimą, kurio mutavusio geno(-ų) koduojamas baltymas(-ai) yra atsakingas(-i) už ligos progresavimą. Į šį klausimą padėjo atsakyti RNR sekvenavimo rezultatai. Mokslininkai aptiko neįprastai didelį FLT3 geno transkriptų kiekį daktaro Wartman’o vėžinėse ląstelėse.

FLT3 genas koduoja tirozinkinazinį membranos receptorių, kontroliuojantį įvairių ląstelių proliferacinį aktyvumą, todėl šio geno hiperaktyvumas galėjo lemti leukemijos progresavimą.

Pasirodė, kad rinkoje jau yra vaistas, selektyviai blokuojantis FLT3 tirozinkinazę (Sunitinib), tačiau šis vaistas buvo naudojamas visiškai kitokios vėžio formos (pažengęs inkstų vėžys) gydymui. Sunitinibo terapija padėjo pilnai išgyti. Daktarui Wartman’ui pasisekė, kad rinkoje jau buvo vaistas, selektyviai blokuojantis mutantinio baltymo aktyvumą. Apple įkūrėjui, Steve’ui Jobs’ui  pasisekė mažiau. Žinoma, kad jis sirgo kasos vėžiu ir užsisakė atlikti analogišką tyrimą – sekvenuoti vėžinio audinio DNR. Šis tyrimas tuomet kainavo 100 tūkst. dolerių, tačiau šiuo atveju mokslininkai neatrado ,,magic bullet’’ (liet. stebuklingos piliulės). 

sutartis

Pastaraisiais metais mokslininkai įsitikino, kad vėžinių audinių genomai yra labai heterogeniški. Skirtumai aptinkami tiek tarp ta pačia vėžio forma sergančių skirtingų pacientų, tiek tarp to pačio paciento skirtingų vėžinių ląstelių (Pav. Nr. 6). Vystantis bet kuriam augliui, mutacijų skaičius didėja, todėl kiekvieno paciento vėžinis audinys yra tam tikra prasme unikalus, t.y. sudarytas iš vėžinių ląstelių subpopuliacijų turinčių skirtingų mutacijų rinkinius. Tai lemia nevienodą jautrumą antinavikinei terapijai. Todėl ieškant optimalaus gydymo būdo, reikia tiksliai žinoti, kokie konkretaus paciento vėžinio audinio genai yra mutavę, kaip kinta šių bei nemutavusių genų produktų (RNR, baltymų) kiekiai vėžinio audinio ląstelėse. Tuomet palyginus šią informaciją su to paties paciento sveiko audinio ląstelėmis, galima identifikuoti unikalų molekulinį auglio ,,parašą’’. Tikriausiai dėl to, pastaraisiais metais klasifikuojant onkologinius susirgimus yra judama molekulinės taksonomijos link, laipsniškai atsisakoma audinio kilmės principo. Nurodoma, kad taip, kaip dabar klinikiniai mikrobiologai ar patologai tiria iš paciento kraujo išskirtas bakterijų kultūras, tam, kad nustatytų, kokie antibiotikai veikia geriausiai, taip ateityje onkologai kiekvienu individualiu atveju naudos genomo sekvenavimą, siekdami parinkti optimalius antinavikinius vaistus. 

Šie pavyzdžiai rodo, kad ateityje onkologiniai susirgimai bus gydomi personalizuotai. Suprantama, kad galėtume efektyviai apdoroti milžiniškus informacijos masyvus, sugeneruotus panaudojant naujausias sekvenavimo technologijas, taip pat parinkti optimalius terapinius algoritmus bus galima tik pasitelkus dirbtinio intelekto, debesų kompiuterijos bei didelių duomenų masyvų technologijas. IBM kompanija periodiškai skelbia inovacijų, kurios per artimiausius penkerius metus pakeis mūsų gyvenimą, sąrašą. Viena iš inovacijų – tai personalizuotas vėžio gydymas pasitelkus DNR sekvenavimo technologijas (Pav. Nr. 7). Jau minėjome, kad dabartiniu metu IBM korporacija vykdo plataus masto dirbtinio intelekto sistemų (pvz., Watson) bandymus klinikinės onkologijos srityje. 

8

Medicininių prietaisų miniatiūrizacija bei robotizacija

Personalizuotos medicinos įsigalėjimą taip pat skatins visuotinė medicininių prietaisų miniatiūrizacija bei daiktų interneto (angl. internet of things) technologijos. Daiktų interneto sąvoka atsirado palyginti neseniai. Prognozuojama, kad netolimoje ateityje dauguma prietaisų bus integruoti į interneto tinklus ir specialiųjų protokolų dėka galės tarpusavyje keistis informacija. 

Agentūros Gartner duomenimis 2020 metais daiktų interneto tinkle bus apie 26 milijardai prietaisų, t.y. kelis kartus daugiau nei žemės gyventojų. Numatoma, kad dėl daiktų interneto technologijų įvyks kokybinis lūžis ir visų rūšių technologiniai procesai taps efektyvesni.  Tai padės taupyti planetos resursus. 

Jau dabar yra vykdomi eksperimentiniai kai kurių miestų transporto srautų optimizavimo projektai. Kiekvienas mobilusis telefonas periodiškai siunčia signalą bazinei stočiai, visi šie duomenys realiu laiku yra analizuojami debesų kompiuterijos dėka. Tokiu būdu galima matyti, kaip kinta keleivių srautai visuomeniniame transporte ir realiame laike optimizuoti jo veiklą. Šiuo atveju, „daiktai“ yra mobilieji telefonai, tačiau šis principas jau pradėtas taikyti ir kitiems įrenginiams. Dažniausiai tai įvairiausi sensoriai realiu laiku registruojantys ir perduodantys įvairių aplinkos parametrų pakitimus. Pavyzdžiui, Ispanijoje, Santandero mieste parkų dirvos drėgnumą registruojantys sensoriai informuoja, kaip dažnai juos reikia laistyti. Šiukšlių konteineriuose įmontuoti sensoriai praneša tarnyboms, kaip dažnai ir kur juos reikia keisti ir t.t. Šie, iš pirmo žvilgsnio smulkūs, pakeitimai leido net iki 20 % atpiginti komunalinių tarnybų išlaidas. Netolimoje ateityje šios technologijos kardinaliai paveiks visas gyvenimo sritis. Automobiliai galės komunikuoti vienas su kitu ir pranešti apie kelyje besiformuojančius kamščius, avarijas, tokiu būdu borto kompiuteriai galės realiame laike perprogramuoti ir optimizuoti maršrutus. Iš ,,išmanių’’ medžiagų pagamintuose rūbuose integruoti sensoriai registruos kūno temperatūrą, drėgnumą ir praneš patalpos ar automobilio kondicionavimo sistemoms apie būtinus pokyčius. Rūbai galės patys keisti savo savybes priklausomai nuo aplinkos sąlygų.

9

Pavyzdžiui, pradėjus lyti, įvyks mikroskopiniai audinių pluošto skaidulų persiorganizavimai, dėl kurių išorinis molekulių sluoksnis taps hidrofobiškas, mažiau imlus drėgmei. Pav. Nr. 8 Marija Šarapova reklamuoja Bluetooth suknelę, į kurią integruotos LED lemputės pradeda žybčioti, kai šeimininkei suskamba mobilusis telefonas. Dizaineris teigia, kad technologija leidžia nepraleisti skambučio triukšmingose vietose (pvz. bare ar kt.).

Visi šie pokyčiai labai paskatins personalizuotos medicinos įsigalėjimą. Jau dabar buitiniai arterinio kraujospūdžio aparatai tapo kasdiene praktika. Netolimoje ateityje ypač paplis individualaus sveikatos monitoringo sistemos, leisiančios realiame laike stebėti įvairiausias organizmo funkcijas. Šios sistemos taip pat padės rinkti, analizuoti ir perduoti informaciją į medicinos centrus apie ambulatorinių pacientų būklę.

Naujausi nanotechnologijų ir  mikrofluidikos (angl. microfluidics) pasiekimai įgalino mokslininkus kurti daugiafunkcinius sensorius, galinčius vienu metu analizuoti daugelį biocheminių parametrų. Tai taip vadinamos ,,mikroschemos laboratorija’’ (angl. lab-on-chip) technologijos. Kaip dažnai būna, šių technologijų atsiradimą ir diegimą itin paskatino karo pramonės poreikiai. JAV Gynybos aukštųjų technologijų tyrimų agentūra (angl. Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) paskelbė konkursą naujų portatyvinių biologinių bei cheminių medžiagų aptikimo sistemų sukūrimui, taip paskatindama naujų technologijų diegimą.

9-1 9-2 9-3

Perpektyviausi darbai yra vykdomi anglies nanovamzdelių, silicio nanolaidelių (angl. silicon nanowires), polimerinių nanolaidelių (angl. polymer nanowires), liuminescuojančių, aukso nanomedžiagų ir kt. tyrimų srityse. Esminis šių sensorių privalumas yra tas, kad juos naudojant galima ištirti didelį skaičių biožymenų, panaudojant labai mažus tiriamosios medžiagos kiekius. Pav. Nr. 9 vaizduojamas silicio nanolaidelių (angl. silicon nanowires) pagrindu pagamintas sensorius, kuris yra skirtas vėžio žymenų identifikavimui.

Ant nanolaidelių yra imobilizuojami antikūniai, prie kurių prijungiame ligandą. Tuomet jie keičia savo konformaciją, o tai veikia nanolaidelių elektrinę varžą. Visi šie pokyčiai yra registruojami. Naudojant šį metodą galima įvertinti labai mažus tiriamosios medžiagos kiekius (iki 0.9 pg mL-1). Autoriai vienu metu tyrė tris prostatos vėžio žymenis. Tačiau, naudojant šį metodą, vienu metu potencialiai galima ištirti 100-200 žymenų. Kompanija Nokia paskelbė The Nokia sensing XCHALLENGE konkursą diagnostiniams ir sveikatos monitoringo sensoriams. Prizo suma – 2,25 mln. dolerių. 2013 metais prizą laimėjo kompanija Nanobiosym su Gene RADAR technologija. 

Ligonio kraujo lašas užlašinamas ant nanomikroschemos, kuri dedamas į  Pav. Nr. 10 pavaizduotą diagnostinį aparatą, kuriame išskiriama mėginio DNR ir RNR. Mikrofluidikos dėka mėginys paskirstomas po kanalėlius, kuriuose yra specifinių patogenams DNR ar RNR pradmenų. Hibridizacijos metu atsirandantys biofizikiniai pokyčiai konvertuojami į elektros signalą. Pagrindinis aparato privalumas yra tas, kad jis gali būti perprogramuojamas įvairių patogenų aptikimui, taip pat įvairias patologines organizmo būkles atspindinčių RNR ar DNR detekcijai. Svarbu, kad šis tyrimo metodas yra apie 10 kartų pigesnis už dabar rutiniškai naudojamus metodus. Pavyzdžiui, šiuo metu ŽIV tyrimas gali kainuoti apie 200 dolerių, tuo tarpu Gene RADAR tyrimo kaina yra apie 10 dolerių. Kitas svarbus privalumas yra tas, kad aparatą galima naudoti bet kur, nereikia mėginių siųsti į dideles speacializuotas laboratorijas, taip ženkliai pagerinamas medicinos paslaugų prieinamumas. Ateityje tokios sistemos turėtų labai palengvinti masinių infekcinių ligų (tokių kaip paukščių gripas, Ebola) diagnostiką šalyse su silpnai išvystyta medicinos apsauga.

10

Tarp 2014 metų The Nokia sensing XCHALLENGE nominantų yra SENSODX technologija. 

Šiuo atveju nanobiogardelių technologija yra naudojama ankstyvai miokardo infarkto diagnostikai. Į kasetę su gardele (Pav. Nr. 11) įlašinamas paciento seilių mėginys, mikrofluidikos dėka mėginys paskirstomas po mikrokanalėlius su imobilizuotais antikūniais prieš ūmaus miokardo infarkto žymenis – smegenų natriuretinį peptidą, troponiną-I, kreatino kinazę-MB, mioglobiną, C-reaktyvų baltymą ir mieloperoksidazę. Įstačius kasetę su mėginiu į skaitytuvą gaunamas atsakymas pateikiamas kaip rizikos balų skaičius (angl. cardiac score). Rezulatas gali būti iš karto persiunčiamas į paciento išmanujį telefoną ar, esant reikalui, tiesiai į kardiologijos centrą ir paramedikams.  SENSODX taip pat kuria analogiškas burnos vėžio, kiaušidžių vėžio, prostatos vėžio bei neleistinų preparatų (angl. drug abuse) detekcijos sistemas. Ateityje tokios testų sistemos ženkliai atpigs. Žmonės jų galės nusipirkti vaistinėse ar prekybos centruose (pavyzdžiui, kaip dabar nėštumo testų). Tokių testų įsigijimą ir naudojimą galės skatinti bei remti sveikatos draudimo kompanijos. Šios inovacijos kardinaliai pakeis situaciją sveikatos priežiūros srityje. 

11

Kita, labai sparčiai besivystanti tyrimų sritis yra susijusi su naujų miniatiūrinių sensorių kūrimu įvairių kūno parametrų stebėjimui.

12

Jau dabar daugelis išmaniųjų telefonų specialių programėlių gali registruoti šeimininko pulsą, EKG, įvairius fizinio aktyvumo parametrus (pvz. įvairūs žingsniamačiai ir pan.). Sparčiai populiarėja išmanieji laikrodžiai (angl. smartwatch). Ateityje bus galima nusipirkti mikrosensorių, vienu metu registruojančių širdies ritmą, kraujo oksigenaciją, prakaitavimą, kvėpavimo dažnį, gilumą ir t.t.  Kompanija Medtronic sukūrė pastovaus gliukozės koncentracijos stebėjimo kraujyje sistemą (Pav. Nr. 12).

13

 

14

Pagrindinis sistemos privalumas yra tas, kad galima realiu laiku sekti gliukozės koncentracijos svyravimus paciento kraujyje. Tai padeda atskleisti gliukozės koncentracijos pokyčių dinamiką, nustatyti, kaip įvairūs faktoriai (stresas, fizinis aktyvumas, mityba ir kt.) veikia šiuos svyravimus (Pav. Nr. 13). Svarbiausia, kad sistema pacientus informuoja apie tik prasidedančius gliukozės kiekio kitimus (kilimą ar augimą). Sistema yra sudaryta iš trijų komponentų – sensoriaus, kurį pats pacientas specialiu aparatėliu implantuoja į paodį, duomenų perdavėjo, kuris tvirtinamas prie sensoriaus ir bevielio  ryšio būdu perduoda duomenis į monitorių bei insulino pompą (Pav. Nr. 14).  Netolimoje ateityje tokios įvairių biocheminių parametrų stebėjimo sistemos bus pradėtos naudoti visuotinai. Aukščiau aprašytu principu greičiausiai veiks ir kitos biocheminio monitoringo sistemos. Pavyzdžiui, bus galima realiu laiku stebėti, kaip keičiasi paciento kraujo krešumo parametrai ir, atsižvelgus į tai, parinkti optimalią antikoaguliantų dozę. Taip pat, nustatyti įvairių vaistų koncentraciją kraujyje ir pagal tai koreguoti jų dozę. 

Nesunkiai galime įsivaizduoti, kaip tokios stebėjimo sistemos galėtų padėti koreguoti arterinę hipertenziją. Ateityje žmonės, turintys polinkį sirgti arterine hipertenzija, bus apie tai informuojami iš anksto. Tai bus įmanoma, kadangi visuotinis pacientų  genomų sekvenavimas leis numatyti ligos išsivystymo riziką. Potencialiems pacientams bus suformuluojamos atitinkamos rekomendacijos (gyvenimo būdo, mitybos ir kt.) bei pradėtas AKS ir kitų parametrų monitoringas. Jeigu dirbtinio intelekto sistema, apibendrinusi sensorių dėka gautus duomenų masyvus, konstatuos, kad liga progresuoja, bus rekomenduojamas medikamentinis gydymas. Tikimasi, kad šiame etape pacientu pradės rūpinti biologinis daktaras. Atsižvelgus į paciento genetines savybes (vaistų metabolizavimo ypatumus ir kt.) bei pasikonsultavus su dirbtinio intelekto sistema, bus parinktas optimalus antihipertenzinis vaistas. Monitoringo sistemos padės sekti AKS, vaisto koncentraciją kraujyje ir, svarbiausia, reguliuoti jo dozę (pavyzdžiui, pasigirs garsinis signalas ir į paciento išmanųjį įrenginį ateis žinutė, kad reikia išgerti pusę tabletės preparato X). 

15

Medicinos robotizacija pastaraisiais metais taip pat vystosi itin sparčiai, ypač robotai chirurgai. Išsivysčiusiose šalyse chirurginė sistema Da Vinci naudojama jau daugelį metų. Sistemą sukūrė kompanija Intuitive Surgical (Pav. Nr. 15). Leidimas taikyti klinikinėje praktikoje gautas jau 2000 metais. Sistemos taikymo spektras labai platus – bendroji chirurgija, ginekologija, urologija, neurochirurgija, kardiochirurgija. 2005 metais JAV panaudojant Da Vinci sistemą buvo atliekama tik 1 % histerektomijų, o 2011-aisiais – jau 27 %. Analogiškai, prostatektomijų skaičius išaugo iki 83 %. 

Chirurgas valdo Da Vinci sistemą per specialų pultą, nutolęs nuo ligonio per keliasdešimt centimetrų. Robotas turi keturias ,,rankas’’ – tai manipuliatoriai su įvairiais chirurginiais instrumentais (žirklės, spaustukai, žnyplės, elektrokoaguliatoriai, skalpeliai ir kt.) (Pav. Nr. 16).

16

Chirurgas operaciją stebi per videokamerą, pritvirtintą prie vienos roboto ,,rankos’’. Pagrindinis sistemos privalumas yra tas, kad galima operuoti per labai mažus pjūvius labai mažose erdvėse. Tokios mažai invazinės operacijos padeda sumažinti komplikacijų tikimybę (mažesnis kraujavimas, skausmingumas, kosmetiniai defektai).

Dabartiniu metu jau apie ketvirtį JAV ligoninių (apie 1400) turi bent po vieną chirurginį robotą. Viena prostatektomijos operacija JAV kainuoja 1200-2000 dolerių, per 2013 metus buvo atlikta 400000 operacijų. Sistemos kaina 1,5-2 mln. dolerių, o eksploatacijos išlaidos siekia 100000-170000 dolerių per metus. Paskaičiuota, kad tam, jog sistema atsipirktų ir neštų pelną turi būti atliekama 150-300 operacijų per metus. Šios tendencijos rodo, kad ateityje ,,atvirų’’ chirurginių operacijų skaičius mažės, jas keis robotizuotos chirurginės sistemos, leisiančios atlikti mažai invazyvias, tausojančias chirurgines manipuliacijas. 

Da Vinci technologija naudoja 4 manipuliatorius, todėl reikalingi 4 pjūviai. Dabartiniu metu kuriamos ir jau pradedamos diegti vieno pjūvio (3 mm) sistemos (angl. single port laparoscopy, SPL) (Pav. Nr. 17).

17

Labai plati ir perspektyvi robotizacijos sritis yra siejama su ligonių slauga ir reabilitacija. Sukurti ir kuriami robotai palengvinantys ligonių priežiūrą. Pavyzdžiui, ruoniukas PARO (Pav. Nr. 18) buvo naudojamas nuo Fukušimos atominės elektrinės avarijos nukentėjusių žmonių psichologinei reabilitacijai.

18 18-1

Pav. Nr. 18. Reabilitacinis robotas PARO. Iš http://www.parorobots.com/

Seniai pastebėta, kad naminiai gyvūnai padeda mažinti stresą, gerina psichologinę žmonių savijautą. Atsižvelgę į tai, mokslininkai iš kompanijos PARO (Japonija) sukūrė robotą, imituojantį naminių gyvūnų elgseną. Šios sistemos yra naudingos ligoninėse ar kitose vietose, kur dėl įvairių priežasčių negalima laikyti naminių gyvūnų. Šie robotai gali interpretuoti akustinę, vizualinę ir taktilinę informaciją, judėti, skleisti tam tikrus garsus, t.y. „bendrauti“ su pacientais. Įrodyta, kad jie padeda įveikti stresą, gerina pacientų socializaciją. 

Apžvelgėme pagrindinius technologinius proveržius, kurie, mūsų manymu, lems medicinos progresą artimiausiais metais. Suprantama, kad tai tik pagrindinės tendencijos, todėl žemiau išskyrėme keletą kitų technologijų, kurios neabejotinai turės labai didelį poveikį ateities medicinai. 

Ląstelių ir audinių inžinerijos technologijos

Pastarojo dešimtmečio atradimai, padėję suprasti kamieninių ląstelių reikšmę, funkcionavimo mechanizmus, taip pat technologijos, įgalinančios perprogramuoti somatines pacientų ląsteles į pliuripotentines, atveria labai plačias perspektyvas. Dabartiniu metu mokslininkai moka perprogramuoti pacientų somatines ląsteles į pliuripotentines (laba svarbu, kad naujos technologijos leidžia tai padaryti išvengiant manipuliacijų su šeimininko DNR), tuomet laboratorijos sąlygomis diferencijuoti jas į norimo tipo ląsteles (pvz. dopaminą produkuojantys neuronai, insuliną produkuojančios kasos ląstelės, hepatocitai, kardiomiocitai ir t.t.). Sekantis žingsnis – konstruoti pilnaverčius audinius, panaudojant paciento ląsteles bei sintetines ar natūralias medžiagas, imituojančias tarpląstelinį užpildą. Šį uždavinį jau pavyko įvykdyti konstruojant reliatyviai paprastus tuščiavidurius organus (šlapimo pūslė, trachėja, bronchai), tačiau sėkminga sudėtingų organų (pvz., širdies raumuo, kepenys) rekonstrukcija yra visai kitokio masto problema. Atkuriant sudėtingą organą reikia susintetinti jo karkasą (stromą) ir į jį pagal tam tikrą tvarką ,,sudėlioti‘‘ ląsteles. Specializuoti organai ir audiniai taip pat turi sudėtingus kraujagyslių, limfagyslių ir nervų tinklus. Sprendžiant šią problemą tyrimai vykdomi trijomis perspektyviomis kryptimis. 

Organų deceliuliarizavimo technologijos

Organų deceliuliarizavimo (santr. DCL) technologijos. DCL metodu iš lavono organo, naudojant specialius chemikalus, yra pašalinamos ląstelės, lieka tik organo karkasas, sudarytas iš jungiamojo audinio (Pav. Nr. 19). Tuomet karkasas ,,užsėjamas‘‘ paciento ląstelėmis, brandinamas ir paverčiamas funkcionuojančiu organu. 

19

Pav. Nr. 19. Pelės širdies DCL (iš žurnalo Nature Medicine 14, psl. 213 – 221, 2008)

Organų spausdinimo technologijos

Organų spausdinimo technologijų dėka galima ląsteles tiksliai ,,sudėlioti’’ į trimatę erdvę. Tokiu būdu audinys yra spausdinamas sluoksnis po sluoksnio (Pav. Nr. 20). 

20

Pav. Nr. 20. 3D spausdintuvas 3D-Bioplotter (Envisiontech) naudojamas audinių inžinerijoje.

Šiuo atveju biorašalas (angl. bioink) – tai ląstelių suspensija tirpale, katalizuojančiame hidrogelio polimerizaciją. Paprasčiausiu atveju spausdintuvas išpurškia lašelius su ląstelėmis (biorašalą) į hidrogelį. Dėl biorašale esančių medžiagų (pvz., kalcio chlorido) vyksta hidrogelio (pvz., alginato polimerizacija). Atspausdinus vieną sluoksnį, konstruktas panardinamas giliau į hidrogelį, tada spausdinamas kitas sluoksnis ir t.t.

Organoidų technologijos

Mūsų manymu, ši technologija yra viena iš perspektyviausių. Mokslininkai pastebėjo, kad patalpinus diferencijuotas kamienines ląsteles į specifinę aplinką, prasideda spontaninis organų saviorganizacijos procesas – formuojasi organų užuomazgos (organoidai). Jau yra sukurtos tinklainės, žarnų, galvos smegenų, kasos, kepenų ir kitų organų organoidų generavimo technologijos. Pavyzdžiui, buvo sukurti žmogaus kepenų organoidai, kurie atliko detoksikacijos funkciją, sekretavo albuminą ir kitus kepenimis būdingus baltymus. 

21

Pav. Nr. 21. Hepatiniai organoidai transplantuoti imunodeficitinėms pelėms. Organoidų endotelinės ląstelės formuoja kraujagyslių tinklus, kurie integruojasi su šeimininko kraujagyslėmis. Žurnalas Nature 499, psl. 481–484 (25 July 2013).

Šie organoidai buvo transplantuoti imunodeficitinėms pelėms su kepenų nepakankamumo funkcija. Tyrimai parodė, kad organoidai gali padėti palaikyti kepenų funkciją. Ateityje šios technologijos leis regeneruoti pacientų kepenis (Pav. Nr. 21). 

Apibendrindami galime pasakyti, kad per artimiausius dešimtmečius ląstelių bei audinių inžinerijos technologijos leis generuoti efektyvius biologinius įvairių organų ir audinių pakaitalus.

Praturtintos realybės (angl. augmented reality) technologijos

Šios technologijos leidžia realybėje vykstančius reiškinius registruoti realiu laiku, retransliuoti į internetą, kartu juos papildyti kompiuterinių sistemų generuotais duomenimis (grafiniais, vaizdo, GPS ir kt.). Geriausias pavyzdys yra Google Glass technologija, kuri jau dabar leidžia realiu laiku identifikuoti objektus ir sieti juos su interneto duomenų bazėse esančiais resursais. Ši technologija jau išbandyta chirurginių operacijų metu. Operuojantis chirurgas dėvėjo Google Glass akinius, kuomet vaizdas tiesiogiai buvo transliuojami į internetą ir jį tiesiogiai galėjo stebėti studentai ir kolegos iš kitų pasaulio kraštų. Nesunku įsivaizduoti, kaip šių technologijų potencialas bus taikomas ateities daktarų mokymui. Šios technologijos labai domina draudimo kompanijas, manoma, kad analogiškos sistemos ateityje leis dokumentuoti, ar visos su gydymu susijusios manipuliacijos buvo atliekamos pagal nustatytą tvarką ir t.t. Praturtintos realybės technologijos pradėtos naudoti ir onkochirurgijoje. Naudodami specialius akinius chirurgai gali matyti specialiais fluorescuojančiais dažais pažymėtą naviką operacijos metu. Tai leidžia tiksliau pašalinti vėžinių metastazių pažeistus audinius.

Bioprotezai

Pastaraisiais metais buvo nemažai pasiekta bioprotezavimo srityje. Labiausiai paplitusi kohlearinių implantų technologija (daugiau kaip 200000 transplantacijų pasaulyje). Sparčiai vystoma tinklainės neuroprotezų (angl. retinal neuroprostethics) technologija. Ji gal būti naudojama, kai dėl kokių nors priežasčių yra pažeistos paciento fotoreceptorių ląstelės, tačiau tinklainės ganglijinių neuronų sluoksnis ir optinis nervas funkcionuoja normaliai. Chirurgas į tinklainę implantuoja mikroschemą, kuri elektros signalus perduoda ganglijiniams neuronams, o šie per optinį nervą vaizdinius impulsus siunčia į smegenis. Taigi, naudojant šias sistemas, šviesa mikroprocesoriaus konvertuojama į elektroninį signalą, šis paduodamas į tinklainėje implantuotą mikroschemą, kur signalas išskaidomas ir perduodamas ganglijiniams neuronams (Pav. Nr. 22).  Šviesos signalo konvertorius ir mikroprocesorius dažniausiai įmontuojami į akinius, kuriuos dėvi ligonis.

22

Svarbiausias sistemos komponentas yra mikroschema, kuri implantuojama į paciento tinklainę. Mikroschemoje signalas išskaidomas į atskirus komponentus, kurie sužadina skirtingas ganglijinių neuronų grupes, taigi, kuo didesnis mikroschemos jautrumas, tuo didesnė šviesos signalo skiriamoji geba. 

Dabar vyksta klinikiniai II kartos (60 elektrodų) mikroschemų bandymai. Visiškai akli ligoniai pradėjo jausti šviesą, skirti judantį kūną nuo nejudančio (Pav. Nr. 23).

23

Pav. Nr. 23. Grafikas, atspindintis tinklainės mikroschemų evoliucionavimo tempus.  Progress in BrainResearch, Vol.175.

Jau sukurti III kartos mikroschemos su 250 elektrodų jautrumu. Prognozuojama, kad po 5-10 metų bus pradėtos naudoti 1000 elektrodų mikroschemos. Jų jautrumo pakaks pažinti veidus, skaityti.

Lecturer