Объемная биопечать и лекарства от ИИ. Что обещают двойные чудеса в медицине

Новое лекарство - за несколько недель

Найти эффективное лекарство от болезни - это всегда чудо. Оно требует огромных затрат труда, времени и денег. Поэтому найти способ ускорить этот процесс - это двойное чудо.

Журнал Nature Biotechnology 2 сентября представил результаты исследования, проведенного гонконгской компанией Insilico Medicine. С помощью искусственного интеллекта (ИИ) она научилась создавать новые лекарства всего за несколько недель. Это в десятки раз быстрее, чем традиционные методы.

Свою нейросеть компания назвала GENTRL, зашифровав в этом имени секрет успеха: generative tensorial reinforcement learning, то есть генеративное тензорное обучение с подкреплением. Не будем углубляться в то, как это работает, важнее результат. Insilico поставила перед нейросетью задачу найти способы лечения фиброза (это заболевание, при котором на органах в результате воспаления разрастаются соединительные ткани, что мешает их нормальной работе). Всего за 21 день GENTRL нашла несколько сильных лекарственных средств. Самое перспективное из них было протестировано на мышах и продемонстрировало благоприятную фармакологическую кинетику. На этот этап исследования ушло еще 25 дней. Таким образом, на создание и тестирование потенциального лекарства потребовалось всего 46 дней. Денежные затраты составили $150 тыс. Как отмечает журнал Forbes, разработка аналогичных лекарственных препаратов по традиционному методу обошлась биотехнологической компании Genentech в миллионы долларов США и заняла восемь лет.

Insilico подчеркивает, что она еще не доказала, что новый препарат эффективнее существующих. Однако время и деньги, которые ушли у ученых на создание потенциальных лекарств, куда меньше, чем у традиционных методов фармации. Проведенное исследование продемонстрировало огромный потенциал ИИ-систем в сфере разработки новых лекарственных средств. Сейчас же ученые нацелены на совершенствование технологии и, конечно же, на выяснение степени эффективности новых препаратов, разработанных с помощью GENTRL.

Первое подобное исследование ученые компании провели в 2016 г. Оно помогло Insilico Medicine привлечь инвестиции даже в условиях высокой конкуренции в области биотехнологий и ИИ. По данным Pitchbook, на данный момент компания привлекла $24,3 млн от нескольких венчурных инвесторов, в том числе от A-Level Capital и Juvenescence. Стоимость Insilico Medicine оценивается в $56 млн. У компании также есть несколько партнеров в области биотехнологий, в частности A2A Pharmaceuticals и TARA Biosystems.

Компания сравнивает свою нейросеть с самообучаемым алгоритмом AlphaGo от Google DeepMind, который выигрывал у чемпионов по восточной логической игре го. Это достаточно красноречивое заявление, чтобы судить об амбициях Insilico: с помощью своей технологии она хочет обойти чемпионов фармацевтики вроде той же Genentech.

Эксперт издания Business Insider Захари Хендриксон считает эти амбиции реалистичными. Он отмечает, что Insilico Medicine произвела ударную волну в фармацевтике. Исследования Insilico освещают потенциал ИИ в революционной разработке лекарств, что может дать мощный толчок фармацевтической промышленности, поскольку позволит компаниям этой отрасли сэкономить миллионы долларов и годы работы.

Подходы с использованием ИИ, подобные тем, которые используются Insilico, задают фармацевтическим компаниям совершенно новую парадигму развития. Биотехнологические ИИ-компании, такие как Insilico, процветают, поскольку инвесторы и фармацевтические гиганты обращают внимание на их огромный потенциал для сокращения расходов. В 2018 г. в ИИ-стартапы, занимающиеся поиском лекарств, было инвестировано более $1 млрд, утверждает Хендриксон.

Новый орган - за несколько секунд

Еще один пример двойного чуда - новая технология биопечати. Каждый, наверное, слышал (или даже читал), что ученые научились печатать новые ткани и органы на 3D-принтере. Так вот, это - уже технология вчерашнего дня. Она требует неоправданно много времени и ресурсов. Новая технология, изобретенная учеными из Швейцарии и Нидерландов, позволяет печатать органы буквально за секунды.

Понять, в чем заключается сложность при 3D-печати органов, нетрудно. Если не вдаваться в технические подробности, то по большей части во время 3D-печати (и не важно, что вы печатаете - пластиковую деталь или орган) материал наносится послойно. Потому это очень медленный процесс. Хуже того, он не позволяет создавать жизнеспособные органы с очень сложной внутренней структурой.

Команда ученых из Лаборатории прикладных фотонных устройств (LAPD) Федеральной политехнической школы Лозанны и Медицинского центра Утрехтского университета изобрела другой способ. О своем достижении она рассказала в статье "Объемная биопечать сложных конструктов живой ткани в течение нескольких секунд", опубликованной 19 августа.

Технология объемной биопечати позволяет формировать орган одновременно по всему объему. Для этого на вращающуюся трубку, заполненную биосовместимым гидрогелем, содержащим стволовые клетки, направляется лазерный луч. Фокусируя энергию света в определенных местах, исследователи формируют ткани. В течение нескольких секунд в геле появляется сложная трехмерная фигура. Затем исследователи вводят в нее эндотелиальные клетки (так называются клетки, выстилающие внутреннюю поверхность кровеносных и лимфатических сосудов) для васкуляризации ткани, то есть для создания в ней сосудистой сети.

Объемная биопечать позволяет за короткий промежуток времени создавать новые органы, которые полностью функциональны и притом персонализированы. То есть они пригодны для пересадки именно данному пациенту и не будут вызывать у его иммунной системы реакции отторжения.

Ученые утверждают, что с помощью этого метода они научились формировать тканевые конструкции размером в несколько сантиметров, что является клинически полезным размером. Примеры их работы включают ткани сердечного клапана, легочной артерии, бедренной кости, мениска коленного сустава. Более того, таким путем можно строить различные взаимосвязанные структуры.

"В отличие от обычной биопечати - медленного, послойного процесса, наша технология куда быстрее и обеспечивает большую свободу дизайна, не ставя под угрозу жизнеспособность клеток", - подчеркивает один из авторов работы Дэмиен Лотери. И это обещает большие перемены в медицине. "Характеристики человеческой ткани в значительной степени зависят от ее очень сложной структуры, и способность воспроизводить эту сложность может привести к ряду реальных клинических применений", - говорит другой соавтор, Пол Делрот.

Используя эту технику, лаборатории могут массово производить искусственные ткани или органы с беспрецедентной скоростью. Такой тип тиражирования очень важен, когда речь идет о тестировании новых препаратов in vitro. Это может устранить необходимость тестирования на животных, обеспечивая явное этическое преимущество, а также снижение затрат.

Исследователи планируют продвигать свою инновационную технологию на рынке. Произведенные с помощью объемной биопечати органы и ткани можно использовать как для разработки и тестирования новых лекарств, так и для восстановления поврежденных тканей и даже замены целых органов в организме человека.

"Это только начало. Мы считаем, что наш метод по своей сути масштабируем для массового производства и может быть использован для производства широкого спектра моделей клеточных тканей, не говоря уже о медицинских устройствах и персонализированных имплантатах", - говорит глава LAPD Кристоф Мозер.

Нобелевка за iPS-клетки оправдалась

Говоря о применении стволовых клеток для выращивания органов, нельзя не упомянуть и такое двойное чудо, как использование с той же целью iPS-клеток - индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Плюрипотентными называются стволовые клетки, могущие при размножении превращаться в клетки почти всех тканей и органов. Такой способностью обладают только эмбриональные стволовые клетки. У взрослого человека стволовых клеток мало, извлечение их затруднительно (они находятся в основном в костном мозге), и при размножении они способны превращаться в клетки не любых, а только некоторых тканей и органов.

Индуцированными называются стволовые клетки, полученные путем перепрограммирования каких-либо иных, самых обычных клеток, например, клеток кожи. Профессор Института передовых медицинских наук Киотского университета (Япония) Синъя Яманака, в 2006 г. впервые в мире получивший iPS-клетки, был удостоен за это Нобелевской премии по физиологии или медицине за 2012 г.

Ученые разрабатывают все новые и новые методы применения стволовых клеток. Правда, испытания новой технологии на людях проходят не так уж и часто. Тем примечательнее новость о том, что один из таких методов уже в недалеком будущем может войти во врачебную практику, поскольку недавно он успешно прошел испытания на человеке. Речь идет о первой в истории пересадке роговицы, выращенной из iPS-клеток.

Роговица (роговая оболочка) является крайне важным компонентом глаза. Она играет в глазе ту же роль, какую имеет в фотоаппарате объектив: собирает и фокусирует световые лучи. Именно поэтому выход из строя роговой оболочки чреват полной потерей зрения.

29 августа профессор Коджи Нисида из Осакского университета (Япония) созвал пресс-конференцию и объявил там, что одна из его пациенток (имя которой не раскрывается) стала первым человеком в мире, которому с помощью iPS-клеток восстановили роговицу. Как рассказал доктор Нисида, 40-летняя пациентка страдала заболеванием, при котором клетки роговицы теряли прозрачность и отмирали. Это вызывает сначала размытость контуров и объектов, а затем и полную потерю зрения. Обычно для лечения подобных состояний используют донорскую роговицу, взятую у недавно умерших людей. Однако, как отмечает газета Japan Times, согласно оценке министерства здравоохранения, сейчас в Японии около 1600 пациентов ждут донорской роговицы. Поэтому в данном случае врачи решили поступить иначе.

Чтобы вылечить женщину, Нисида и его команда использовали iPS-клетки, способные трансформироваться в другие типы клеток, в том числе и клетки роговой оболочки. Из iPS-клеток ученые вырастили новую роговицу, которую и пересадили пациентке. Сама операция была проведена 25 июля, на реабилитацию потребовались четыре недели. За это время к женщине вернулось зрение, и 23 августа она была выписана из больницы. Исследователи продолжат следить за пациенткой, чтобы наблюдать за эффективностью и безопасностью трансплантата. Команда Нисиды считает, что такая пересадка должна оставаться эффективной в течение всей жизни пациента.

Как комментирует журнал Nature, Япония идет на шаг впереди остального мира в одобрении клинического применения iPS-клеток. Действительно, по данным сайта Japan Forward, прорыв, достигнутый командой из Осакского университета, стал в Японии третьим успешным примером операций регенеративной медицины на основе технологии iPS-клеток. Ранее такие операции были проведены финансируемым правительством институтом RIKEN, который в сентябре 2014 г. трансплантировал созданную из iPS-клеток сетчатку 70-летней пациентке с возрастной макулярной дегенерацией, и Киотским университетом, который в ноябре 2018 г. использовал iPS-клетки при лечении пациента с болезнью Паркинсона.

Что же касается данного случая, то еще в марте министерство здравоохранения Японии разрешило доктору Нисиде опробовать процедуру на четырех добровольцах. Следующая операция планируется на конец этого года, а отработанная процедура, которую можно будет использовать для повсеместного применения в клиниках, согласно заявлению ученого, должна появиться через пять лет.

По данным журнала JAMA Ophthalmology, во всем мире около 12,7 млн человек ожидают трансплантации роговицы, при этом покрывается лишь одна из 70 потребностей. Ввиду этого, отмечает журнал, особенно важно разработать альтернативные или дополнительные решения, такие как биоинженерия роговицы. Процедура с использованием iPS-клеток, разработанная японскими учеными, как раз и обещает такое решение проблемы.

Нашлась замена стволовым клеткам

Казалось бы, после стольких лет досконального изучения человеческой анатомии и физиологии в нашем организме не должно было остаться ничего, что не попало бы на глаза ученым-медикам. Однако же исследователям удается совершать все новые открытия. 26 июля в журнале Nature Communications вышла статья ученых из Центра стволовых клеток и регенеративной медицины Королевского колледжа Лондона, обнаруживших новый тип клеток печени. Эти клетки, названные HHyP (hepatobiliary hybrid progenitor), имеют свойства стволовых клеток, при этом не являясь ими.

HHyP-клетки формируются во время раннего внутриутробного развития плода. Как выяснилось, они сохраняются в небольших количествах у взрослых людей и способны дифференцироваться в гепатоциты и холангиоциты - два основных типа клеток печени человека. Раньше считалось, что свойством превращаться в клетки того или иного органа обладают только стволовые клетки.

"Впервые мы открыли, что клетки со свойствами, как у стволовых клеток, существуют в печени человека. Это, в свою очередь, может обеспечить широкий спектр применения регенеративной медицины для лечения заболеваний печени, включая возможность избежать необходимости в пересадке печени", - говорит ведущий автор исследования доктор Тамир Рашид.

Сегодня единственным способом лечения тяжелых заболеваний печени остается пересадка органа, которая, во-первых, доступна не всем пациентам (потребность в донорских органах значительно превышает их наличие), а во-вторых, может со временем привести к тяжелым осложнениям. Открытие HHyP-клеток открывает принципиально новые подходы в разработке методов лечения. Сейчас команда ученых находится лишь в начале этого пути и планирует разработать методику обновления печени.

Как замечает сайт ScieNews, наличие HHyP-клеток в печени заставляет предположить, что подобные клетки существуют и в других органах. Если это подтвердится, то обновление органов (без трансплантации) может стать когда-нибудь рутинным делом. Правда, это светлое будущее наступит все же нескоро.