Вживлення мікрокомп’ютерів здійснить революцію у лікуванні хвороб

У вересні 2014 року в Медичному центрі Міннеаполіса (США) першому у світі пацієнтові, хворому на діабет, встановлять мікроскопічний імплантат. Він приєднається до підшлунковій залозі і буде самостійно регулювати виділення інсуліну.

Після цього подібні мікроскопічні системи почнуть пересаджувати й іншим хворим, які страждають на епілепсію, не можуть ходити або навіть самостійно дихати. Все це стало можливим після того, як на початку червня американське Управління із санітарного нагляду над якістю харчових продуктів і медикаментів (FDA) видало сертифікат на використання такого пристосування як лікарський засіб.

«Для медиків це сигнал, що можна активніше працювати в цьому напрямі, і він буде затребуваний у фармацевтичній галузі, а отже, з'явиться і фінансування», – каже Корреспонденту нобелівський лауреат з медицини Роберт Хорвіц.

За його словами, зараз лікарські препарати переходять на новий рівень ефективності, коли вони стануть діяти на хворобу зсередини. При цьому зовсім необов'язково, щоб вони були тільки біологічного походження.

У медичній компанії GlaxoSmithKline вже заявили, що готові надати премію в розмірі $ 1 млн розробникам електронної системи, що регулює дихання пацієнта зсередини, не викликаючи побічних ефектів. Загалом компанія вже інвестувала понад $ 50 млн у такі дослідження і має намір проводити випробування нового імплантату, який змінить саму суть медицини.

Апарат буде кріпитися до пошкодженому органу, який не може працювати самостійно, і за допомогою електричних імпульсів стимулювати його роботу. Медики сподіваються, що з часом такі розробки замінять пошкоджені ділянки нервової системи і діятимуть постійно, як уже відбувається зі стимуляторами роботи серця. Але для цього потрібно також скласти повну карту електронних сигналів, що регулюють діяльність організму людини.

«Поки ми не зможемо читати думки, але цілком здатні відрізнити, з якою саме частотою передається особливий сигнал в печінку, щоб вона почала працювати», – каже Уоррен Грілл з Університету Дьюка в Північній Кароліні.

На думку вченого, ще трохи, і буде створений універсальний дрон, який зможе сам визначати, який саме орган пошкоджений, і допомагати в лікуванні або підтримувати його нормальне функціонування. Для цього потрібна тільки карта нервових імпульсів та більш універсальні і мініатюрні мікропроцесори.

Внутрішній комп'ютер

Якщо просто роздивитися апарат, який сертифікували в FDA, – це нескладна система, що складається з генератора імпульсів певної частоти і кількох блоків живлення. Також у цій пігулці міститься спеціальний комп'ютер, який зчитує показання тиску та електронної активності навколо органу, щоб у певний момент подати потрібний імпульс.

Приблизно за такою ж системою робляться зараз і кардіостимулятори для людей, чиє серце не може підтримувати ритм. За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я, за останні десять років лише близько 300 тис. осіб отримали такі стимулятори. При цьому в серцевому м'язі не потрібен аналіз стану органу – він просто повинен прокачувати кров з певною частотою. Нове покоління стимуляторів повинно лише розуміти, коли саме потрібно дати удар струмом в орган.

Раніше ці розробки стримувалися розмірами мікропроцесорів, необхідних для оцінки та аналізу стану організму. Але з 2010 року габарити транзисторів почали сильно зменшуватися, і тепер достатню інформаційну систему можна вмістити в капсулу діаметром до 5 см.

Довжина першого прототипу, який пересадять у вересні на підшлункову залозу, складе лише 4 см. Він міститиме, крім елементів живлення, мініатюрний комп'ютер, який самостійно оцінює, коли потрібно подати сигнал. Вчені розраховують, що орган зможе правильно сприймати цей імпульс і почне працювати нормально. Крім того, для кращої діагностики імплантат зможе передавати інформацію про стан пацієнта до лікарні.

За первинними даними, термін служби такої системи становитиме до трьох років. Потім її потрібно буде замінити. У майбутньому GlaxoSmithKline збирається створити більш довговічний прототип. Для цього вона планує використовувати нові літій-іонні батареї, які зараз розробляються в Японії.

У кількох фармацевтичних корпораціях анонсували створення таких пристроїв для інших органів і м'язів. Найпростіше – регулятор дихання для грудної клітини, який робить вдих через певні інтервали. Складніша система – придушення вогнищ епілепсії в корі головного мозку. Такий комп'ютер поки що тільки тестується в лабораторіях компанії Pfizer і може бути готовий до 2020 року.

Нервова карта

«Коли ви цілуєте людину, це не просто процес зморщування губ. Ваші лобові частки мозку посилають сигнал на вироблення гормонів ендорфіну і серотоніну. Периферична нервова система розганяє ваш пульс. І це тільки один поцілунок», – каже Корреспонденту Хелен Фішер з Ратгерського університету в Нью-Йорку.

На думку Фішер, штучно створити таку гаму електронних імпульсів, які проносяться по нашому організму в одну мить, дуже складно. Поки дослідники наблизилися лише до можливості виділяти і повторювати окремі сигнали.

Тому системи технічних імплантатів працюватимуть саме за цією схемою. Часто орган функціонує нормально, але нервові імпульси до нього не доходять через якісь ушкодження. Більше 40% хвороб – наприклад діабет – виникають саме з цієї причини. Але поки вчені точно не знають, чому нервова система перестає проводити ці сигнали. На думку Хорвіца, справа може бути в поступовій деградації нервових закінчень і систем, супутніх їм, але поки це лише гіпотеза.

У США ще у 2001 році стартував національний проект з картування зон головного мозку та імпульсів нервової системи. Зараз завдяки зусиллям учених з 20 провідних університетів вдалося виділити понад 500 специфічних сигналів, що дають організму можливість функціонувати. Більшість з них мозок посилає без участі свідомості людини – адже ми не думаємо, що час виділяти жовч або шлунковий сік під час їжі. Тому, якщо сигнал порушений, людина не може самостійно «полагодити» його.

До 2030-го вчені планують закінчити роботу над цією картою. Тоді буде зрозуміло, який відділ мозку відповідає за які сигнали і на якій частоті він передає їх органам. Для цього знадобиться інвестувати в розробки не менше $ 20 млрд. Але інститути не скупляться на витрати, розуміючи, що зараз це шлях до створення нових революційних систем лікування. Тому фармацевтичні компанії не будуть економити на замовленнях потім, оскільки це обіцяє їм величезні прибутки.

Наступним кроком у картуванні нервових імпульсів має стати відстеження частот вищої нервової діяльності. Або, простіше кажучи, картування самосвідомості і думок. Але це віддалена перспектива.

А поки що учені готуються замінити нервові імпульси нижчого порядку. За попередніми даними, один імплантат буде коштувати від $ 500 тис. до $ 1 млн, але згодом вартість знизиться.

У Національному інституті здоров'я США в розробку цієї проблематики у 2014-2015 роках інвестують не менше $ 10 млрд. Це дозволить, на думку експертів, створити універсального нанолікаря вже у 2020-му

У 2016 році GlaxoSmithKline планує почати випуск систем заміни нервових імпульсів на штучні сигнали. Пізніше компанія хоче створити такі самі «пігулки» для імплантації в грудну клітку, печінку і кінцівки. Якщо задум вдасться, то наступним кроком стане програмування таких пристроїв і їхня подальша мініатюризація.

За словами Грілла, такі пристрої розміром до 0,5 см зможуть постійно перебувати в кровоносній системі людини. За зовнішньою командою вони приєднуватимуться до певного органу і подаватимуть йому потрібні імпульси або передаватимуть інформацію про стан організму. Це допоможе лікарям точніше діагностувати хвороби і навіть починати їхнє лікування без операцій.

Ця перспектива досить віддалена, але дослідні інститути та медичні компанії вже готові інвестувати в реалізацію ідеї великі кошти. Наприклад, в Національному інституті здоров'я США в розробку цієї проблематики у 2014-2015 роках інвестують не менше $ 10 млрд. Це дозволить, на думку Хорвіца, створити універсального нанолікаря вже у 2020-му.

Головні місця

Можливе розміщення механічних імплантатів у людському тілі

Мозок – система придушення спонтанної діяльності кори головного мозку у разі епілепсії. На стадії розробки, перші зразки застосовуються на тваринах.

Хребет – вживлення системи декомпресії тиску у разі пошкодження хребта. На стадії розробки. Перші зразки очікують у 2020 році.

Печінка – пластина для подання імпульсів для нормалізації виділення печінкових ферментів. Запатентована і може бути встановлена ​​людині.

Рука – система електродів для стимуляції роботи мускулатури у паралізованих пацієнтів. На стадії розробки.

Кореспондент