Гибридные технологии. Как бозон Хиггса изменил медицину

Цветные рентгеновские 3D-снимки

Европейская организация по ядерным исследованиям CERN заведует крупнейшим международным проектом в физике высоких энергий — БАКом, то есть Большим адронным коллайдером. От этого научного центра меньше всего ожидалось новостей, касающихся медицины. Однако 10 июля CERN ошеломил сообщением о том, что те же самые технологии, благодаря которым в 2012 г. был открыт знаменитый бозон Хиггса, уже начинают внедряться в медицинскую практику в Новой Зеландии.

Речь идет о гибридном пиксельном детекторе Medipix, разработанном для отслеживания частиц на БАКе. Medipix регистрирует каждую отдельную частицу, проникающую в его пиксели, что обеспечивает очень четкие высококонтрастные изображения. На основе этой технологии новозеландский стартап MARS Bioimaging создал уникальный медицинский сканер, позволяющий получать вместо обычных черно-белых рентгеновских снимков цветные и притом объемные рентгенограммы. Этот метод позволит врачам намного более уверенно идентифицировать сканируемые органы и ткани, а значит, и ставить своим пациентам более точные диагнозы.

Создатели сканера — профессора Фил и Энтони Батлер (отец и сын) из университетов Кентербери и Отаго — потратили на него 10 лет. Сканер MARS объединяет спектроскопическую информацию, генерируемую детектором Medipix, с мощными алгоритмами для производства цветных 3D-изображений. Цвета представляют различные уровни энергии рентгеновских фотонов, регистрируемых детектором, и, следовательно, выделяют различные компоненты частей тела, в том числе кости, мышцы, хрящи, сосуды, жировые ткани, а также опухоли.

Исследователи уже использовали небольшую версию сканера MARS для выявления рака, болезней костей и суставов, а также сосудистых заболеваний, вызывающих сердечные приступы и инсульты. Это позволило проводить более точную диагностику и персонализировать лечение.

В ближайшие месяцы пациенты ортопедии и ревматологии в Новой Зеландии будут отсканированы сканером MARS в ходе клинического испытания. Оно, как подчеркивается в сообщении CERN, проложит путь для рутинного использования этого оборудования нового поколения в повсеместной медицинской практике.

Спасение приносят дроны

Едва ли не столь же далекими от медицины, как бозон Хиггса, кажутся дроны — летающие роботы. Но робототехнический проект Zipline из Силиконовой долины уже доказал, что его дроны умеют спасать человеческие жизни. В октябре 2016 г. Zipline подписал государственный контракт с Руандой на доставку жизненно важных лекарств и донорской крови в труднодоступные регионы. В стране открыт специальный распределительный центр, за которым закрепили 15 дронов Zips. По словам представителей Zipline, за два года их беспилотные летательные аппараты совершили более 5 тыс. совершенно автономных рейсов и преодолели 300 тыс. км для доставки крови и лекарств.

Половина поступающих запросов — для женщин с послеродовым кровотечением, еще треть — для маленьких детей с тяжелой анемией из-за малярии, остальные — по заявке аварийных служб и спасателей. Запрос врачи могут сделать любым удобным способом: позвонить, написать сообщение, связаться через мессенджер. После этого из распределительного центра вылетает дрон, больше похожий на увеличенный игрушечный самолет. Он может разгоняться до 130 км/ч, поэтому уже через 15–30 минут прилетает на заданную точку, сбрасывает коробку (она приземляется с парашютом) и возвращается на базу. За две минуты до прибытия врач получает автоматическое сообщение о том, что посылка почти на месте — можно выходить ее встречать. Такой отлаженный механизм позволяет существенно сократить время доставки жизненно необходимых лекарств и донорской крови — на машине этот путь обычно занимает несколько часов.

Сегодня на долю компании приходится пятая часть всех доставок крови за пределами столицы страны — Кигали. В апреле 2018 г. Zipline заявил, что готовится трансформировать и улучшить систему доставки: время на обработку запроса сократится с 10 до одной минуты, а количество ежедневных рейсов вырастет с 50 до 500. В планах проекта — запуск аналогичного сервиса в Танзании. Кроме того, уже в этом или следующем году возможен выход беспилотной логистики на рынок США, что важно для тех регионов, которые страдают от наводнений, засух, торнадо или ураганов.

Новый орган за 12 часов

Другой стартап из Силиконовой долины — Prellis Biologics — отличился уникальными успехами в 3D-печати человеческих органов и тканей. Биопринтинг обещает стать революцией в медицине: эта технология позволит раз и навсегда решить проблему очередей на трансплантацию донорских органов. Каждый день 22 человека в одних только США умирают, так и не дождавшись пересадки. Очередь нередко растягивается на два-три года. К тому же всегда есть риск отторжения чужого органа. Поэтому биопринтинг в перспективе может спасти тысячи жизней и сделать пересадку если не рутинной операцией, то, по крайней мере, вполне доступной и общераспространенной.

Prellis Biologics, запущенный в 2016 г., предполагает выращивать новый орган из клеток, взятых у пациента. По задумке, врачи берут биопсию, передают в Prellis, где создаются специальные условия для размножения этих клеток. Когда их становится достаточно много, ученые дополняют их коллагеновой смесью и с помощью лазерного луча формируют искусственный орган.

Все было бы прекрасно, если бы не время — решающий фактор в вопросах трансплантации. На создание искусственного органа, по оценкам специалистов Prellis, требовалось полгода, иногда меньше. Это, конечно, гораздо быстрее, чем живая очередь на донорские органы, но у пациентов зачастую нет и этих месяцев. Поэтому новость, которую Prellis сообщил в июне 2018 г., может действительно совершить переворот в биопринтинге: ученым удалось в сотни раз ускорить процесс печати тканей. Голографическая 3D-печать Prellis Biologics позволяет создавать сложные микрососудистые системы, обеспечивающие подачу питательных веществ и кислорода в клетки. Эта технология — основа будущего производства полноценных человеческих органов, а пока ткани используются, например, фармакологическими компаниями для тестирования препаратов.

Стартап поставил перед собой цель осуществлять биопринтинг всей сосудистой системы человеческой почки менее чем за 12 часов. Уже через 2,5 года Prellis планирует провести пересадку напечатанной почки крысе, а еще через столько же времени — вывести на медицинский рынок 3D-печать человеческих органов.

Биочернила для биопечати

Над задачей биопринтинга органов сегодня работают многие компании. Но если есть 3D-принтеры, то нужны и 3D-чернила, а вот о них задумываются немногие. Рынок сопутствующих товаров и сырья оказался не занят просто потому, что был совсем не столь увлекателен, как непосредственно сам процесс биопечати. Так было до тех пор, пока этим вопросом не озаботился Эрик Гатенхольм - основатель шведской компании Cellink.

На момент запуска проекта в 2015 г. Гатенхольму было всего 25 лет. За три года Cellink стала лидером в своей области: если в 2014 г. биочернила невозможно было приобрести в интернете, объемы производства их были минимальными и требовали предварительных долгих научных исследований, то с приходом Cellink закупка чернил стала распространенной практикой. Компания изготавливает вещество из целлюлозы - ее добывают в лесах Швеции - и альгиновой кислоты из морских водорослей. Что немаловажно, это стандартизированные, универсальные чернила: они совместимы с любым типом человеческих клеток, используемых для печати тканей и органов. При этом по цене биочернила доступны практически любой, даже не самой крупной лаборатории. Cellink поставляет свои чернила и 3D-принтеры в научные центры США, Европы и Азии.

Практическая польза очевидна: повсеместный доступ к материалам для 3D-принтинга значительно ускорит сам процесс печати органов, поможет поставить его на поток. Также можно надеяться на значительное сокращение опытов на животных, раз фармацевтические компании смогут использовать для своих тестов образцы человеческой ткани, выращенной искусственно.