Визначити COVID-19 за 5 хвилин. Допоможуть супертехнології перемогти пандемію

Ми вибрали найбільш яскраві приклади, що дають уявлення про те, як найсучасніші досягнення в IT - і биотехносферах зараз використовуються на різних фронтах боротьби з коронавірусом.

Пошук ліків

До пошуків ліки від COVID-19 підключили найпотужніший у світі суперкомп'ютер Summit виробництва корпорації IBM, що належить Ок-Ріджській національної лабораторії міністерства енергетики США. Дослідники використовували Summit для перебору більше 8000 лікарських сполук, щоб виявити найдієвіший засіб проти коронавіруса. Серед цих сполук були речовини як природного, так і лабораторного походження. Що більш важливо - раніше вони всі були протестовані на людях і схвалені в якості безпечних. Summit звузила список до 77 найменувань.

"Логіка в тому, що якщо хоча б одна з цих сполук спрацює, це буде значно швидше розробки нових ліків з необхідністю отримання схвалення та подальшого його розповсюдження", - пояснив виданню OneZero молекулярний біофізик з Університету Теннессі Джеремі Сміт. Саме він керує процесом пошуку на Summit. Сміт і його колеги опублікували результати дослідження на сервері ChemRxiv.

При відборі ліків використовувались результати китайських вчених, секвенировавших геном коронавірусу. Враховуючи ці дані, команда Сміта запрограмувала Summit на пошук конкретного типу сполук, які могли б пов'язати схожі на зубці корони (звідси і назва) білки вірусу, щоб запобігти його потрапляння в клітини.

Справа ускладнювалася тим, що ці зубці постійно здійснюють безліч дрібних рухів, і вченим потрібно було змоделювати ці рухи, щоб виявити ефективні ліки. Але з допомогою алгоритмів машинного навчання суперкомп'ютер зміг вирішити цю проблему досить швидко.

Розробка лікарських препаратів - сумно відомий своєю тривалістю процес. На виведення ліків на ринок може піти до 10 років. Саме тому робота Summit дуже важлива. 77 сполук, відібраних суперкомп'ютером, тепер будуть перевірятися на тваринах і людських клітинах в лабораторних умовах. Вірусологи в Центрі здоров'я при Університеті штату Теннессі вже почали випробування. Якщо яка-небудь з цих ліків покаже свою ефективність у боротьбі з коронавірусом, то вчені зможуть обійтися без попереднього випробування його на безпеку і відразу перейти до перевірки на ефективність на людях.

"Не знаю, чи спрацює яке-небудь з вже знайдених сполук, - зізнається Сміт. - Хто знає, може бути, ефективними виявляться трохи, а може - ні одна". Однак учений припускає, що при майбутніх нових спалахах, що не піддаються (поки що) лікування вірусних захворювань, людству допоможуть саме такі комп'ютерні симуляції, в яких будуть задіяні суперкомп'ютери з усього світу. "Ми могли б тримати весь науковий інструментарій напоготові, щоб як можна швидше реагувати на такі ситуації", - говорить Сміт.

Вивчення вірусу

Щоб перемогти ворога, бажано побільше про нього знати. Саме цим зайнявся Folding@Home - проект розподілених обчислень для комп'ютерного моделювання динаміки атомів молекул білка. "У вірусів також є білки, які вони використовують для придушення нашої імунної системи і для розмноження. Щоб допомогти в боротьбі з коронавірусом, ми хочемо зрозуміти, як працюють ці вірусні білки і як ми можемо розробити терапевтичні засоби, щоб зупинити їх", - пояснюється на сайті проекту.

Сам проект було розпочато ще 20 років тому і зараз базується в Університеті Вашингтона в Сент-Луїсі. Свої обчислювальні ресурси для досліджень надали як сотні тисяч рядових користувачів, так і великі компанії NVidia, Amazon, Oracle. Завдяки цьому продуктивність мережі розподілених обчислень вже перевищила 2,4 эксафлопса, тобто 2400 петафлопсів (один петафлопс - це квадрильйон, або мільйон мільярдів операцій в секунду). Це у 16 разів вище продуктивність суперкомп'ютера Summit (150 петафлопсів). І тепер Folding@Home по своїй продуктивності перевершує 500 найпотужніших суперкомп'ютерів світу, разом узятих.

Прогнозування

Пандемія COVID-19 зайвий раз підтвердила, що на офіційні дані покладатися не можна. Всесвітня організація охорони здоров'я вперше повідомила громадськість про спалах коронавірусу в китайському Ухані 9 січня, але ще десятьма днями раніше цей спалах виявив за допомогою свого ІІ канадський стартап BlueDot. Він повідомив про це своїх клієнтів через платформу Insights ще 31 грудня.

З тих пір BlueDot майже в режимі реального часу інформує своїх клієнтів, включаючи міністерства охорони здоров'я дюжини країн (в тому числі Канади і США), лікарні і авіакомпанії, про поширення COVID-19. Алгоритм точно передбачив експансію вірусу з Уханя в Бангкок, Сеул, Тайбей і Токіо.

Засновник BlueDot Камран Хан працював спеціалістом з інфекційних хвороб в лікарні в Торонто під час епідемії атипової пневмонії 2003 р. і з того часу мріяв знайти кращий спосіб для відстеження захворювань. Після тестування декількох прогностичних програм Хан запустив BlueDot в 2014 р. і привернув венчурне фінансування на суму $9,4 млн.

Зараз в компанії працюють 40 працівників - лікарів і програмістів. Вони виявляють спалахи більше 150 різних патогенів, токсинів і синдромів майже в реальному часі. Для цього ШІ щодня сканує більше 100 тис. мас-медіа і офіційних джерел на 65 мовах. Також BlueDot має доступ до анонімним агрегованих глобальних даних про мільярди пасажирських авіаперельотів і сотні мільйонів мобільних пристроїв. Ці дані допомагають передбачити, куди та коли попрямують заражені жителі. Крім того, ШІ враховує кліматичні умови, можливості системи охорони здоров'я, популяції тварин і комах у різних країнах - в цілому більш ніж 40 баз даних про фактори, що впливають на потенціал спалахів і мобільність захворювань.

Моделювання

9 квітня в журналі Infection Control and Hospital Epidemiology була опублікована стаття двох американських професорів-математиків, які створили математичну модель поширення пандемії COVID-19. Можливо, хтось запитає, а навіщо це потрібно. Так ось, ця модель дозволила виявити, у скільки разів занижені офіційні дані в тих країнах, які зацікавили авторів моделі.

Наприклад, в Італії на чотирьох інфікованих припадав лише один діагностований. Це може здатися провалом італійської охорони здоров'я, але автори роботи вважають, що італійці порівняно з іншими ще молодці. Приблизно така ж частка виявлених випадків COVID-19 (один із чотирьох), згідно моделі, що спостерігалася в Південній Кореї - країні, яка справляється з пандемією чи не найкраще в світі. В інших державах ситуація була набагато гірша.

Так, моделювання виявило, що в Іспанії діагностувався лише один випадок на 53 фактичних зараження. А в Китаї, згідно з розрахунками, частота виявлення опинилася в діапазоні від 1 до 149 до 1 до 1104. При таких розкладах недіагностованими залишилися від 12 до 89 млн інфікованих китайців.

А найкращою країною в плані діагностики виявилися США: за розрахунками авторів моделі, до 6 квітня там були виявлені кожні два з трьох випадків COVID-19.

Дезінфекція

Боротьба з інфекцією не може не включати в себе дезінфекцію. І тут на допомогу прийшли роботи і дрони. Найбільш масштабно це виглядало в Китаї.

Ще в лютому компанія Sunay Healthcare Supply (постачальник медичного обладнання на китайському ринку) уклала договір з датською компанією UVD Robots на купівлю роботів для дезінфекції. Вони здатні самостійно переміщатися по медичним установам і обробляти поверхні ультрафіолетом, мінімізуючи ризик зараження для медперсоналу. Глава Sunay Healthcare Supply заявив, що з допомогою цієї угоди ефективну дезінфекцію будуть проводити більше 2000 лікарень.

Самі китайці також не сидять склавши руки. З початку епідемії компанія XAG, один з світових лідерів у виробництві сільськогосподарської техніки, оптимізувала технологію і створила спеціальний фонд у 5 млн юанів (більше $700 тис.) для стримування епідемії. Компанія надала свою розумну сільгосптехніку, таку як дрони XPlanet і роботи R80, для розпилення дезінфікуючих засобів у місцях, схильних до зараження.

Дрон і робот можуть працювати незалежно один від одного, але можуть і об'єднуватися: дрон обробляє основну частину території, а робот - важкодоступні місця. За день безпілотник XPlanet здатний дезінфікувати 60-70 га - це завдання, для виконання якого зазвичай вимагається 100 людей.

Оберігання

Для запобігання поширення коронавірусу згодилися технології, які раніше були необхідні в основному для людей з інвалідністю. Так, стартап Slightly Robot, створює пристрої для людей, розробив браслет, який допомагає не торкатися до обличчя під час епідемії - точно так само, як подібні браслети допомагають людям з обсесивно-компульсивним розладом позбутися нав'язливого висмикування волосся або дряпання шкіри. Браслет називається Immutouch. Він пов'язаний зі спеціальним додатком для iPhone і Android, яке допомагає відстежувати свої успіхи в боротьбі з шкідливою звичкою.

Проблема в тому, що на вулиці можна зіткнутися з зараженим людиною або об'єктом, а потім торкатися очей, носа або рота і моментально впустити вірус в свій організм. Однак перестати чіпати руками обличчя - це дуже складне завдання. За підрахунками вчених, кожен годину людина несвідомо торкається до свого лиця близько 23 разів. Браслет Immutouch допомагає позбутися від звички постійно поправляти зачіску, протирати очі, чухати ніс і смикати губи. Гаджет постійно стежить за положенням рук людини і рахує, скільки разів на день він намагається торкнутися свого обличчя. Коли рука наближається до очей, носа або рота, пристрій починає вібрувати, нагадуючи користувачеві, що так робити не можна.

Один браслет Immutouch коштує близько $50. Розробники не забули про те, що людина стосується особи будь-якої з двох рук, тому пропонують придбати відразу два пристрої і надіти їх відразу на два зап'ястя. Виробник вже оголосив, що отримав купу замовлень.

Тестування

Як зазначає TechCrunch, щоб ефективно відслідковувати поширення вірусу, потрібно спочатку ефективно його виявляти. Але якраз це є вузьким місцем. Вирішення проблеми запропонувала американська хіміко-фармацевтична корпорація Abbott.

27 березня вона повідомила, що Адміністрація продовольства і медикаментів (FDA) США дозволила до використання тест ID NOW COVID-19, який визначає коронавірус за 5 хвилин. Це самий швидкий тест на коронавірус, який існує у світі.

Тест проводиться на платформі Abbott ID NOW. Це легкий портативний пристрій вагою всього лише 3 кг і розміром з невеликий тостер. Завдяки цьому тест можна проводити в різних місцях, не обов'язково в лікарні.

До появи коронавірусу платформа ID NOW використовувалася для діагностики грипу A і B, скарлатини (Strep A), респіраторно-синцитиального вірусу (RSV). Тому вона вже широко доступна в США в кабінетах лікарів, клініках та відділеннях невідкладної допомоги в лікарнях.

На відміну від застосовуваних у різних країнах експрес-тестів, які шукають в крові людини антитіла до коронавирусу, тест ID NOW ґрунтується на молекулярному тестуванні, яке працює із зразками слини і слизу. Ця технологія дозволяє виявити присутність вірусу, ідентифікуючи невелику частину його генома.

13 квітня Abbott повідомила, що вона вже відправила 566 тис. тестів ID NOW у всі 50 штатів, Вашингтон, на Пуерто-Ріко і острови Тихого океану. Більшість з цих тестів були відправлені в гарячі точки спалаху пандемії. "В даний час ми виробляємо 50 тис. тестів в день, плануємо збільшити виробничу потужність ID NOW до 2 млн тестів в місяць до червня і працюємо над тим, щоб вийти за межі цього", - пообіцяла компанія.

Пошук контактерів

Пандемії сприяє те, що люди, зустрівшись з носієм вірусу, можуть заразитися і, нічого не підозрюючи, заражати інших. Щоб сприяти виявленню таких випадків, Apple і Google зайнялися розробкою спільної програми.

Воно буде працювати за технологією Bluetooth Low Energy і зможе фіксувати пристрої всіх користувачів, які мали контакти один з одним. Так можна відстежувати контакти не тільки зараженої людини, але і здорових людей, які з ним контактували. Виявлення цих ланцюжків контактів дозволить попередити людей, що знаходяться в небезпеці, щоб вони звернулися до фахівців для підтвердження або спростування побоювань.

Дані будуть збиратися постійно не тільки серед знайомих, але і серед тих людей, яких людина просто зустріла на вулиці. Якщо люди підійшли досить близько один одному і система буде знати, що один з них хворий, вона насторожиться. Для забезпечення безпеки вона сповістить всіх, хто потенційно міг заразитися.

Для роботи сервісу важлива тільки одна річ. Користувач, який дізнався, що він є інфікованим, повинен відразу ж зазначити це в додатку. Після цього все буде працювати сама. Якщо користувачі будуть відзначати в додатку, що вони хворі, вони зможуть врятувати десятки і навіть сотні життів.

Розробники обіцяють максимальну конфіденційність. Всі дані будуть збиратися в автоматичному режимі. На сервер будуть передаватися не імена користувачів, а їх ідентифікатори. На додаток до цього дані все одно будуть дуже надійно шифруватися. Так можна буде уникнути стеження за користувачами і витоку особистих даних. Навіть якщо вони витечуть і будуть розшифровані (що вже малоймовірно), ніхто не дізнається, що за ідентифікатором ховається конкретна людина. Це важливий момент з точки зору завоювання довіри користувачів.

Технологія Bluetooth Low Energy обрана для роботи програми не випадково. Вона має мінімальне споживання енергії і може навіть при вимкненому смартфоні чи не місяцями розсилати повідомлення на інші пристрої, що знаходяться поруч.

Так, наприклад, ви можете знайти загублений або вкрадений iPhone в додатку "Локатор", навіть якщо апарат вимкнений. Якщо iPhone вимкнений або з нього дістали сімку, самостійно вийти в мережу він не зможе, але зможе передати сигнал SOS на iPhone, який опинився поруч. Той уже сам відправить повідомлення на сервер: мовляв, пропажа знайдено. Все це робиться в автоматичному режимі, і господар смартфона-спасителя навіть не помітить, що допоміг комусь знайти дорогий гаджет.

Технологія Bluetooth Low Energy підтримується на всіх пристроях, оснащених Bluetooth 4.0. Це вже не нова технологія, вона доступна кілька років. Наприклад, Apple впровадила її ще в iPhone 4s. Можна припустити, що новий додаток від Google і Apple охопить основну масу пристроїв.

Крім цього, на відміну від GPS, Bluetooth Low Energy дозволяє дуже добре фіксувати переміщення і контакти людей. Так, усередині великого торгового центру, вагона підземки або житлового будинку GPS працювати не буде, а Bluetooth Low Energy, навпаки, буде дуже ефективною - їй достатньо наближення одного пристрою до іншого. Така функціональність дуже стане в нагоді для фонової роботи при визначенні зараження коронавірусом.

Треба віддати належне компаніям Apple і Google. У звичайному житті вони є конкурентами на ринку засобів зв'язку. Але коли прийшла біда світового масштабу, вони об'єднали свої зусилля в роботі над додатком, який орієнтовно має вийти вже в травні. Враховуючи, що майже всі смартфони, за рідкісним винятком, працюють на iOS або Android, така співпраця особливо важлива.