Сегодня 20 апреля 2024
18+
MWC 2018 2018 Computex IFA 2018
реклама
Offсянка

Цифровые биосенсоры: органы киберчувств

⇣ Содержание

Древний вопрос «Что есть человек?» сегодня во множестве приложений сводится к значительно более предметному: «Как оцифровать человека?» — поскольку ответ в этом случае реально получить не выспренне-отвлечённый, а вполне практический. И практичный: скажем, развернуть по-настоящему действенную систему цифрового здравоохранения навряд ли удастся, не наладив предварительно получение непрерывного потока медицинских данных, который в режиме реального времени анализировал бы специально обученный ИИ, — для раннего выявления широкого спектра заболеваний по косвенным признакам.

 Чтобы скрепить соседние позвонки (обычно — в поясничном отделе, для стабилизации позвоночника), применяют упругий умный имплант, получающий энергию от встроенного трибоэлектрического наногенератора и способный благодаря этому непрерывно фиксировать давление на обе свои поверхности, записывая данные во встроенный микрочип для дальнейшего клинического анализа (источник: iSMaRT)

Чтобы скрепить соседние позвонки (обычно — в поясничном отделе, для стабилизации позвоночника), применяют упругий умный имплант, получающий энергию от встроенного трибоэлектрического наногенератора и способный благодаря этому непрерывно фиксировать давление на обе свои поверхности, записывая данные во встроенный микрочип для дальнейшего клинического анализа (источник: iSMaRT)

Расход электроэнергии, уровень присутствия определённых примесей в воде или воздухе, напряжение магнитного поля и великое множество других естественных феноменов оцифровываются при помощи датчиков (сенсоров), переводящих тем или иным способом некий аналоговый, но заведомо измеримый параметр в единицы и нули, т. е. в пригодную для компьютерной обработки форму. При этом явления биологического характера, в том числе физиологические параметры работы организма человека, и сами по себе сложны для адекватного измерения, и предполагают высочайшую точность и достоверность фиксации. Цена ошибки алгоритма и/или аппаратуры здесь особенно высока — поэтому к биосенсорам предъявляют особые требования. Так что актуальное состояние данного направления развития ИТ-отрасли — весьма адекватный показатель уровня её развития в целом.

#Трудности позиционирования

Наиболее прямолинейно и общо биосенсор определяется как устройство (безотносительно к конкретному принципу его действия), преобразующее некий изменяющийся параметр биологической системы в набор сигналов, выраженный числовыми показателями. Скажем, аппарат фМРТ (функциональной магнитно-резонансной томографии) согласно этому определению — вполне себе биосенсор, разве что чрезвычайно громоздкий. Получаемые с его помощью динамические карты активности мозга позволяют производить глубокие исследования высшей нервной деятельности — однако со значительными ограничениями: испытуемый должен находиться внутри машины, причём чем меньше его голова шевелится в процессе измерений, тем информативнее получаемые данные.

 Справляться с последствиями спондилодеза помогает активный умный имплант, оснащённый массивом электродов для мониторинга и стимулирования роста костной ткани (источник: Intelligent Implants)

Справляться с последствиями спондилодеза помогает активный умный имплант, оснащённый массивом электродов для мониторинга и стимулирования роста костной ткани (источник: Intelligent Implants)

Так что чаще под биосенсорами понимают куда более компактные, по большей части носимые, устройства для оцифровки измеримых проявлений биологических процессов. Встроенный в фитнес-браслет пульсометр, датчик потоотделения на умной футболке, умный имплант для контроля за восстановлением позвоночника после спондилодеза — всё это носимые (или даже хирургически внедряемые, инвазивные) биосенсоры, призванные заметно повысить качество жизни человека. Проблема, однако, в том, что призвание это они реализуют пока, мягко говоря, не всегда самым лучшим образом.

Скажем, ещё в 2015 г. исследователи из Rock Health констатировали: бум носимых гаджетов с биодатчиками, вроде бы грозивший разразиться годом ранее — на волне активного их продвижения в СМИ и соцсетях, — на деле практически не дал реального выхлопа. Да, интерес у широкой публики возник, однако уже первое знакомство с широко разрекламированными фитнес-браслетами, «умными» пульсометрами (на тот момент «умный» означало не более чем «способный передавать результаты измерений смартфонному приложению по Bluetooth») и прочими устройствами для множества ранних их покупателей обернулось разочарованием.

 Биосенсоры в виде микроигл ведут непрерывный мониторинг уровня антибиотиков в теле пациента: хотя формально эти иглы проникают в верхний слой кожи, проделываемые ими отверстия настолько малы, что кровотечения не образуется (источник: Imperial College London)

Биосенсоры в виде микроигл ведут непрерывный мониторинг уровня антибиотиков в теле пациента: хотя формально эти иглы проникают в верхний слой кожи, проделываемые ими отверстия настолько малы, что кровотечения не образуется (источник: Imperial College London)

Тенденция эта сохраняется в целом и до сего дня: если, к примеру, ещё в III кв. 2020 г. половину всех поставленных на мировой рынок умных гаджетов, носимых на запястье, по данным Сanalys, составляли basic bands — фитнес-браслеты с минимальной функциональностью, то к IV кв. 2022-го их доля сократилась до 18%. Покупатели сегодня всё чаще отдают предпочтение куда более насыщенным возможностями умным часам — даже невзирая на существенно бóльшую среднюю цену тех в рознице. Причину этого эксперты видят в отсутствии у наиболее простых гаджетов с биодатчиками ощутимой для среднего потребителя повседневной ценности. Да, назапястный браслет измеряет пульс, а сопряжённое с ним приложение на смартфоне строит соответствующий график за минуту, за час или за день, — но какой от этого прок для практически здорового человека?

Проблема, подмеченная аналитиками Rock Health, значительно глубже тривиального указания на неготовность рядового обывателя адекватно интерпретировать длинные ряды медицинских данных — которые, собственно, и собирают цифровые биодатчики. Загвоздка в том, что, пока человек ощущает себя в целом здоровым, ему — за исключением профессиональных спортсменов, серьёзно настроенных завсегдатаев фитнес-центров и ещё ряда довольно узких категорий — по большому счёту не так уж важно, каковы в точности те или иные физиологические показатели его организма. А едва некая проблема со здоровьем проявляет себя недвусмысленно, человек обращается к профессиональным медикам — и тогда те изучают его с применением уже специализированных устройств, часто намного опережающих бытовые датчики, что встраивают в носимые гаджеты, по точности и достоверности измерений. Вот и выходит, что доступные в быту биосенсоры по сути бесполезны, а применяемые профессионалами — сложны, дороги и часто не предполагают интеграции с носимыми гаджетами.

 Один из типичных пульсоксиметрических биосенсоров, встраиваемых в носимые (чаще всего назапястные) гаджеты, содержит ИК-излучатель и датчик рассеянного освещения, 16-разрядный контроллер и цифровой интерфейс I²C (источник: Rutronik GmbH)

Один из типичных пульсоксиметрических биосенсоров, встраиваемых в носимые (чаще всего назапястные) гаджеты, содержит ИК-излучатель и датчик рассеянного освещения, 16-разрядный контроллер и цифровой интерфейс I²C (источник: Rutronik GmbH)

Вместе с тем в последние годы — спасибо стремительному развитию технологий — качество общедоступных биосенсоров становится всё более высоким, а себестоимость неуклонно снижается. Лет семь-восемь назад действительно сложно было представить себе солидного практикующего врача, который контролировал бы состояние здоровья своего клиента — не пациента в стационаре, а практически здорового человека, живущего обычной повседневной жизнью, — на основании анализа длинных рядов физиологических измерений, передаваемых через смартфонное приложение каким-нибудь недорогим фитнес-браслетом. Сегодня картина иная: современные биодатчики уже имеет экономический смысл интегрировать в носимые гаджеты и даже имплантировать внутрь практически здорового организма — с целью заблаговременно выявлять самые ранние признаки таких изменений, которые, если оставить их без должного внимания, гарантированно перевели бы находящегося под неусыпным цифровым меднадзором человека в разряд пациентов.

Помимо повышения чувствительности биосенсоров, расширяется со временем и круг фиксируемых ими физиологических параметров. Ещё в 2014-2015 гг. большинство разработчиков сосредоточивали свои усилия на гаджетах, способных замерять пульс своего носителя и определять качество его сна (используя гироскопы и акселерометры для учёта движений тела в ночное время). Постепенно вслед за этими массовыми устройствами начали появляться носимые приборы с датчиками температуры, частоты и глубины дыхания, проводимости и гидратации кожных покровов, активности нейронов головного мозга (не с детализацией уровня фМРТ, конечно, но хотя бы в общих чертах), кровяного давления и т. п. И чем больше информации о состоянии организма собирают широко доступные биосенсоры, тем очевиднее становится приносимая ими польза.

 Доля владельцев носимых трекеров активности (фитнес-браслеты и пр.), в 2014-2015 гг. не бросивших свои цифровые игрушки, спустя определённое количество месяцев (по оси абсцисс) после покупки заметно снижается: зелёная линия — данные Endeavor Partners, лиловая — Rock Health (источник: Intelligent Implants)

Доля владельцев носимых трекеров активности (фитнес-браслетов и пр.), в 2014-2015 гг. не бросивших свои цифровые игрушки, спустя определённое количество месяцев (по оси абсцисс) после покупки заметно снижается: зелёная линия — данные Endeavor Partners, лиловая — Rock Health (источник: Intelligent Implants)

Согласно отчёту Endeavor Partners, до трети владельцев носимых гаджетов с биодатчиками в 2015 г. переставали ими пользоваться до истечения уже первого полугода с момента покупки. Аналитики Rock Health (правда, на более узкой выборке) давали тогда же куда более нелицеприятную оценку — около 80%. Да и нынешнее состояние рынка носимых на запястье гаджетов подтверждает, что покупателей привлекают в них прежде всего расширенные возможности цифровых коммуникаций, а не число и качество биодатчиков. Именно потому, кстати в данном сегменте куда более востребованы дорогие умные часы с цветными сенсорными дисплеями высокого разрешения, чем узкофункциональные и бюджетные фитнес-браслеты: первые просто не так стремительно прискучивают.

Реальная жизнь всё-таки не компьютерная игра, и очередное зафиксированное гаджетом достижение («Поздравляю! Вы сделали за сегодня 10 000 шагов!» — восьмибитные фанфары из смартфонного динамика и нарисованный фейерверк на экране) радует владельца, разумеется, — но не с такой силой, чтобы всерьёз побуждать его к чему-то большему. С другой стороны, приставлять к каждому носителю фитнес-браслета по персональному врачу, чтобы на ранних стадиях выявлять потенциальные проблемы со здоровьем, попросту нереально. Привлечь к этой работе искусственный интеллект — идея более чем здравая, и в таком разрезе чем больше самых разнообразных физиологических параметров смогут собирать носимые и имплантируемые цифровые биодатчики — тем лучше.

#Внедрять или не внедрять?

Целый ряд физиологических измерений попросту невозможно проводить, не имея доступа к внутренним органам. К примеру, предложенный швейцарской компанией Luciole Medical метод определения насыщенности кислородом крови, участвующей в мозговом кровообращении, предполагает внедрение зонда в черепную коробку пациента — правда, на глубину всего 4-5 см. Используя четыре инфракрасных лазера с различными длинами волн, а также собирая информацию от размещённого рядом с зондом поверхностного датчика, исследователи научились определять концентрацию гемоглобина в крови — и на основании этого вычислять количество доставляемого ею к мозговым тканям кислорода. В подобных ситуациях назапястным или даже наголовным неинвазивным гаджетом явно не обойтись.

 Микрожидкостный процессор (microfluidic processor) для биомедицинских исследований способен избавить пациентов от болезненной и сложной операции — биопсии костного мозга (источник: Massachusetts Institute of Technology)

Микрожидкостный процессор (microfluidic processor) для биомедицинских исследований способен избавить пациентов от болезненной и сложной операции — биопсии костного мозга (источник: Massachusetts Institute of Technology)

Совсем другое дело — измерение параметров крови, циркулирующей по всему организму. Если прежде любое исследование, допустим, содержания сахара требовало непременно прокола кожи и получения хотя бы небольшой капельки крови, то теперь неинвазивные глюкометры становятся всё более перспективными устройствами для непрерывного мониторинга этого важного физиологического показателя.

Наиболее логичным представляется применять здесь примерно ту же технологию, что и при непосредственном изучении пробы крови, — рамановскую спектроскопию. С одной стороны, уровень сахара (в отличие от насыщенности кислородом) приблизительно один и тот же на любом участке кровеносной системы человека; с другой — на теле имеется немало зон, где мелкие сосуды максимально приближены к поверхности, а защитный слой кожи тонок и почти прозрачен для инфракрасного излучения. Уже разработаны вполне достоверно измеряющие этот показатель приборы, для получения результата на которых пациенту достаточно лишь приложить палец к измерительной панели гаджета, — и никаких проколов. Такие сенсорные глюкометры (touch glucose monitor, TGM) начали появляться в коммерческом обороте — и для множества страдающих диабетом пациентов оказываются куда более привлекательными, чем привычные системы малой инвазивности со сменными иглами для прокалывания кожи и тест-полосками, на которые следует наносить капельку крови.

 Типичный неинвазивный глюкометр: нажми на сенсор — получишь результат (источник: RSP Systems)

Типичный неинвазивный глюкометр: нажми на сенсор — получишь результат (источник: RSP Systems)

Впрочем, можно обойтись и вовсе без прикосновений, замеряя концентрацию определённых веществ — летучих органических соединений (volatile organic compounds, VOC) — в выдыхаемом человеком воздухе. Часть таких молекул формируется в ходе извлечения в организме энергии из глюкозы, расщепления жиров и иных процессов, имеющих значение для диагностики и мониторинга сахарного диабета. И хотя ранее для уверенного определения уровня концентрации VOC по дыханию требовалось громоздкое лабораторное оборудование, в последние годы исследователям удалось уменьшить габариты анализатора до карманных размеров — не поступаясь притом, по их уверениям, точностью и достоверностью измерений.

Оба направления неинвазивного глюкометрирования опираются на обработку больших массивов данных — как для каждого пациента в отдельности, так и для множества их — с целью выявить наиболее общие закономерности. Чем солиднее статистическая база, тем более надёжными окажутся суждения цифровых систем, вычисляющих значения недоступного для прямых измерений показателя (содержания всё того же сахара в крови) по тем или иным косвенным признакам.

 Другая разновидность неинвазивного датчика глюкозы определяет наличие сахара в крови по характерным веществам в составе пота, выступающего на коже, — и, если определённый уровень превышен, автоматически отдаёт команду на впрыск инсулина (источник: AllAboutCircuits)

Другая разновидность неинвазивного датчика глюкозы определяет наличие сахара в крови по характерным веществам в составе пота, выступающего на коже, — и, если определённый уровень превышен, автоматически отдаёт команду на впрыск инсулина (источник: AllAboutCircuits)

Понятно, что такого рода системы станут обеспечивать наивысшую точность в режиме своего рода «роя», динамической юстировки, когда в единую базу данных будут непрерывно стекаться сведения о текущих замерах с их применением — и о контрольных, проводимых либо в условиях стационара, либо с использованием классических игольчатых бытовых глюкометров: это позволит производить регулярную корректировку констант или даже алгоритмов вычислений на каждом из индивидуально применяемых приборов. Подобные умные и подключённые цифровые биодатчики просто-таки напрашиваются на интеграцию в единую общую систему контроля над состоянием здоровья граждан — тот самый «рой» — на уровне по меньшей мере региона, если не страны в целом. Задача явно на перспективу, но заслуживающая, по мнению экспертов, проработки.

И всё же преодоление кожного/костного барьера для доступа к исследуемому биологическому материалу — не самая главная задача, что ставится перед цифровыми биосенсорами. Важно ещё, чтобы чувствительности миниатюрного прибора оказалось достаточно для адекватного измерения. К счастью, в пользу компактных цифровых датчиков играют здесь физико-химические особенности функционирования живых организмов: выясняется, что иногда чем меньше доза изучаемого вещества, тем корректнее может оказаться суждение о его составе. Точнее — о самом факте наличия в нём определённого рода соединений.

 Цифровой биосенсор в ортопедическом умном импланте (эндопротезе коленного сустава) даёт возможность контролировать движения пациента, автоматически выдавая ему подсказки для скорейшего освоения протеза (источник: Zimmer Biomet)

Цифровой биосенсор в ортопедическом умном импланте (эндопротезе коленного сустава) даёт возможность контролировать движения пациента, автоматически выдавая ему подсказки для скорейшего освоения протеза (источник: Zimmer Biomet)

Ставшие для медиков за последние десятилетия классикой лабораторные химические исследования, такие как PCR (Polymerase Chain Reaction) или ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) для обнаружения определённых нуклеиновых кислот и белков соответственно, имеют дело с вполне измеримыми, пусть и довольно малыми, объёмами препаратов. И предельная чувствительность таких методов определяется уровнем концентрации искомых веществ в изучаемом образце. В то же самое время многие биомаркеры — молекулы, однозначно свидетельствующие о том, что в организме происходит некий процесс, в общем случае вредоносный, — выделяются в чрезвычайно малых количествах именно на ранних стадиях заболеваний, когда лечение проще всего проводить, а результативность его максимальна.

РНК вируса иммунодефицита человека или тропонин (содержащийся в сердечной мышце белок) — типичные примеры таких биомаркеров. Концентрация их часто измеряется в атто- и фемтомолях — соответственно, 10–15 или 10–12 — на литр. По этой причине объёмные реакции, проводимые в ходе PCR или ELISA с единицами или даже десятками миллилитров тестируемого образца, выявляют присутствие таких биомаркеров с крайне невысокой достоверностью. Здесь даже не столь существенно, что такого рода реакции требуют отбора образцов из организма (локализации их в пробирке) и нуждаются в массивном стационарном оборудовании, — т. е. для потенциального применения в носимом гаджете их не так-то просто масштабировать. Важно, что у канонического химического подхода («капнул в реторту реактив — отметил изменение цвета раствора») порог избирательности слишком низок для уверенной работы с биомаркерами, если учесть ничтожность их природной концентрации.

 Ручное приготовление препаратов для аналогового теста ELISA — зрелищгый, но трудоёмкий процесс (источник: Diag2Tec)

Ручное приготовление препаратов для аналогового теста ELISA — зрелищный, но трудоёмкий процесс (источник: Diag2Tec)

#Сделайте помельче

А значит — есть смысл не работать с макроскопическими пробирками и миллилитровыми объёмами, а использовать достижения высоких технологий для выявления едва ли не отдельных молекул в ничтожно малых порциях изучаемого вещества. Именно в этом и заключается суть цифровой биосенсорики: в последовательном разделении (дроблении, компартментализации) биологической пробы на настолько малые объёмы, исчисляемые фемто- или пиколитрами, что в каждом из них заведомо останется либо 0, либо 1 образец искомой молекулы-биомаркера. Вот уж цифровые технологии в самом буквальном смысле слова — «ложь» или «истина»; третьего не дано!

Обычные лабораторные методы выявления определённых веществ — упомянутая уже спектроскопия, например, — крайне малочувствительны к низким концентрациям искомых соединений в общем объёме образца. С ростом разрешающей способности установок неизбежно увеличиваются и паразитные шумы, так что, скажем, на спектрограмме вполне достоверно замеренный, но небольшой по абсолютной величине максимум поглощения на определённой длине волны (который и должен засвидетельствовать наличие в пробе данного конкретного соединения) может оказаться попросту неразличимым из-за наложения случайных шумовых сигналов. Стоит концентрации подрасти — да, спектроскоп выдаст уверенный результат; но для пациента несвоевременная постановка диагноза грозит обернуться ухудшением клинической картины.

Однако, как учит нас физическая химия, скорость протекания химической реакции (определяемая как количество частиц данного вида, вступающих в некую реакцию в единицу времени в единице пространства) обратно пропорциональна объёму этого самого пространства — точнее, реакционному объёму. Имеется в виду, что, если объём образца достаточно велик, а концентрация реагирующего вещества сравнительно мала и/или распределение его неравномерно, реакция будет идти не повсеместно — точнее, в разных участках пробы с различными скоростями, и реакционный объём в общем случае меньше того, который физически занимают реактивы. Так вот, идея цифровой биосенсорики как физико-химического метода состоит в дроблении исходного объёма образца на настолько микроскопические фрагменты, чтобы в каждый из них попадало буквально по одной молекуле реагирующего вещества, наличие или отсутствие которого в пробе и требуется установить. Благо в этом случае реакции должны по идее проходить с предельно возможными скоростями.

 Отдельные биологические клетки, угодившие в ячейки микротитрационного планшета% длина масштабного отрезка — 100 мкм (источник: Chinese Academy of Sciences)

Отдельные биологические клетки, угодившие в ячейки микротитрационного планшета. Длина масштабного отрезка — 100 мкм (источник: Chinese Academy of Sciences)

Казалось бы, это натуральный сизифов труд: при откровенно невысоких концентрациях, характерных для биомаркеров, и без того крохотную капельку биоматериала придётся разделять на огромное количество фрагментов и в каждом из них в отдельности проводить реакцию. Но в этом-то и смысл: скорость протекания такой реакции внутри пиколитрового объёма окажется чрезвычайно высокой, а из-за практического отсутствия в этой пробе посторонних включений уровень паразитных шумов в ходе детектирования результатов испытаний заметно снизится. Таким образом, выявление единичных молекул биомаркеров становится вопросом чисто техническим — и с ним великолепно справляются миниатюрные же цифровые биодатчики.

Ещё один плюс цифровой биосенсорики — в сведении к абсолютному минимуму погрешности численных измерений концентрации искомого соединения во взятой у пациента пробе. Если в одной части исследованных пиколитровых фрагментов исходного образца зафиксировано вступление в химическую реакцию строго одной искомой молекулы (а что она там именно одна, позволит подтвердить скорость прохождения этой реакции), а в другой части реакция не пошла вовсе, то, разделив первую величину на вторую и приняв в расчёт объём каждой пикопробы, не составляет труда чисто механически вычислить точную концентрацию исследуемого биомаркера в исходном образце.

 Отдельные биологические клетки, угодившие в ячейки микротитрационного планшета% длина масштабного отрезка — 100 мкм (источник: Chinese Academy of Sciences)

Довольно сложная процедура ELISA/dELISA сводится в итоге к подсчёту ячеек, в которых произошла реакция, — разумеется, цифровыми методами (источник: American Chemical Society)

Есть у такого подхода, конечно же, и оборотная сторона. Цифровой биодатчик практически невозможно сделать столь же универсальным, как какой-нибудь масс-спектрограф: для каждого типа молекул необходима своя конфигурация сверхминиатюрной зоны реакции (собственно, реактора — в исходном, химическом смысле этого слова, возникшем задолго до появления реакторов ядерных), да и технология дробления исходной пробы на пиколитровые объёмы может значительно различаться в зависимости от того, что за биологический материал подвергается исследованию. Но в целом цифровые биосенсоры позволяют решать такие диагностические задачи и на столь ранних стадиях, справиться с которыми по классической лабораторной методике невозможно — по крайней мере, с теми же скоростями проведения исследований и достоверностью получаемых результатов.

Один из наиболее ярких примеров цифровых биосенсорных технологий, реализуемых сегодня достаточно широко, — цифровой вариант метода иммуноферментного анализа (упомянутого ранее enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA), digital ELISA, или попросту dELISA. Акроним этот широкой аудитории не слишком знаком, зато зрительно наверняка все представляют, о чём идёт речь. Едва ли не каждый телевизионный репортаж из медицинской лаборатории принято сопровождать характерным зрелищным видеорядом — как сотрудник в белом халате заносит собранные в напоминающую грабли линейку длинные пипетки (непременно наполненные жидкостью нарочито ядовитого оттенка) над прямоугольной сборкой из небольших пробирок. Это, собственно, и есть процедура внесения реагента, за которой следует выдержка, необходимая для прохождения реакции в каждой отдельной пробирке, — а затем производится оценка, чаще автоматизированная, количества и распределения продуктов таких реакций.

 Различные виды лабораторных матриц с мини- и микроячейками (источник: Wikimedia Commons)

Различные виды лабораторных матриц с мини- и микроячейками (источник: Wikimedia Commons)

В случае dELISA для размещения образцов применяется уже не прямоугольная матрица из отдельных, пусть и миниатюрных, пробирок, а так называемый микротитрационный планшет с ячейками, называемыми ещё микроколодцами (microwells). В микроколодцы помещаются наночастицы (20-30 нм в поперечнике), на поверхности которых и происходит нужная реакция. Чтобы упростить помещение таких частиц в ячейки и извлечение их по завершении эксперимента, их обычно выполняют из суперпарамагнитных материалов, таких как магнетит (Fe3O4), — лишь при приложении сильного внешнего поля они проявляют магнитные свойства, тогда как в нормальных условиях не слипаются в кластеры.

Вместо пипеток в dELISA применяются цифровые микроструйные приборы (digital microfluidics, DMF) — системы-на-кристалле, позволяющие формировать из потока жидкости микроскопические капли объёмами в микро- и даже нанолитры, после чего с высочайшей точностью направлять их падение: в данном случае — в микроколодцы титрационного планшета. Функционируют DMF с использованием эффекта электросмачивания — изменения коэффициента смачивания поверхности под воздействием электрического поля или тока. В целом если чувствительность классического варианта ELISA достигает единиц пикограммов искомого вещества на миллилитр, то уже первая реализация dELISA в 2010 г. продемонстрировала этот показатель на уровне 14 фг/мл (фемтограммов на 1 мл). И это еще не предел!

 Photo\biosensors-14   Для различных биологических и медицинских исследований требуются макротитрационные системы с ячейками определённых размеров (источник: Microsurfaces Pty Ltd)

Для различных биологических и медицинских исследований требуются макротитрационные системы с ячейками определённых размеров (источник: Microsurfaces Pty Ltd)

#Трансформация повседневности

Как изменилось качество жизни каждого из нас, когда в смартфонах и ноутбуках стандартной опцией стали датчики отпечатков пальцев, разъяснять никому, хочется верить, не надо: биометрия во множестве случаев и проще для пользователя, и надёжнее с точки зрения устойчивости ко взлому, чем самый сложный пароль (и тем более PIN-код). Переход же на новый уровень качества жизни после того, как схожее по масштабам распространение получат цифровые биосенсоры, пока даже вообразить себе непросто. Причём «жизни» в самом прямом, биологическом смысле этого слова.

 Благодаря физико-химическим особенностям явления смачивания на микротитрационных системах, для формирования обособленных микрокапелек образца на поверхности платформы её достаточно всего ишь наклонить, стряхнув всё лишнее (источник: Karlsruhe Institute of Technology)

Благодаря физико-химическим особенностям явления смачивания на микротитрационных системах, для формирования обособленных микрокапелек образца на поверхности платформы её достаточно всего лишь наклонить, стряхнув всё лишнее (источник: Karlsruhe Institute of Technology)

Согласно исследованию, проведённому в 2019 г. в ведущих медицинских клиниках Испании, примерно половина пациентов с хроническими заболеваниями разного рода не соблюдают предписанный им порядок приёма лекарств. Причём по самым разным причинам: выработка привычки к болезни (и, как следствие, снижение тревожности в её отношении), банальная лень или забывчивость, страх перед побочными эффектами от медикаментов и т. п. Но если лекарства не принимать по назначенной врачом схеме, эффект от них существенным образом снижается — вплоть до того, что заболевание может из хронической вновь перейти в острую фазу. Так как же добиться того, чтобы приём таблеток осуществлялся строго по расписанию — вне стационара?

Цифровые биодатчики готовы прийти на помощь и тут — будучи совмещёнными с таким давно известным медицинским гаджетом, как электронная пилюля. Первое применение проглатываемого устройства, замерявшего температуру и давление внутри организма и транслировавшего полученные данные наружу по радиоканалу, относится аж к 1957 г., а широкое распространение пилюль с вмонтированными в них видеокамерами для неинвазивной диагностики желудочно-кишечного тракта развернулось в начале XXI века. И всё же одно дело — контролировать посредством умных пилюль изнутри определённые физиологические параметры, а совсем другое — гарантировать регулярность приёма необходимых пациенту лекарств.

 Цифровая видеопилюля — настоящее облегчение для всех, кому приходится проходить энтероскопию (источник: PillCam)

Цифровая видеопилюля — настоящее облегчение для всех, кому приходится проходить энтероскопию (источник: PillCam)

Подходов здесь в общем случае имеется два. Первый — пассивный: умная пилюля снабжается цифровым биосенсором, способным определять (пребывая, натурально, в желудке пациента) сам факт попадания в организм действующего вещества из состава назначенного этому человеку лекарства. И если такой факт своевременно не зафиксирован — поднимать тревогу, отправляя, например, сперва напоминание на смартфон самого пациента, а если тот не поспешит с приёмом назначенной таблетки — то и сообщая об этом наблюдающему его врачу. Американское Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств ещё в 2017 г. одобрило такого рода персональный гаджет для отслеживания регулярности приёма лекарств людьми, страдающими от целого ряда психических заболеваний — включая шизофрению и биполярное расстройство.

Другой подход к упорядочению доставки лекарственных средств в страждущий организм с применением умных пилюль можно назвать активным: в этом случае действующее вещество уже помещено в проглатываемый гаджет, и по мере постепенного растворения всё в том же желудке оно выделяется — причём в строго отмеренных дозах. Контроль дозировки в этом случае предлагается обеспечивать не какими-то сложными технологическими методами (вроде размещения внутри пилюли миниатюрного насоса, выбрасывающего регулярно порции лекарства наружу), а попросту формируя саму оболочку устройства из действующего лекарственного вещества — в смеси с буферным составом, безвредным для организма и растворяющимся под воздействием желудочного сока с определённой скоростью. Такие умные пилюли очень удобно персонифицировать (после подбора для данного пациента необходимой тому дозировки), изготавливая на специализированных 3D-принтерах прямо в аптеке, рецепт в которую поступит от выдавшего назначение врача уже в виде цифровой инструкции.

 Те самые одобренные FDA в 2017 г. пилюли с датчиками приёма лекарственных средств, плюс смартфонное приложение для них (источник: Otsuka America Pharmaceutical, Inc.)

Те самые одобренные FDA в 2017 г. пилюли с датчиками приёма лекарственных средств, плюс смартфонное приложение для них (источник: Otsuka America Pharmaceutical, Inc.)

Пациентам, страдающим от рака, умные пилюли ни первого, ни второго рода не помогут — но цифровые биодатчики готовы повысить качество и их жизни. Разрабатываются недорогие компактные сенсоры, способные оперативно определять концентрацию химиотерапевтических препаратов в крови либо в слюне пациента, сразу давая тем самым обратную связь назначившему лечение врачу. В данном случае крайне важна именно скорость: если подобранная доза слишком мала, эффекта от терапии не будет; чересчур велика — уже само лекарство окажется хуже болезни. Вот как раз для того, чтобы непрерывно удостоверяться в оптимальности уровня действующего вещества в организме пациента, такие датчики и подходят наилучшим образом.

Эксперты из области высокотехнологичной медицины уверены, что будущее как раз за множественными цифровыми биодатчиками, непрерывно ведущими мониторинг самых разных физиологических показателей — насыщенности различных тканей организма кислородом, уровня глюкозы в крови и многого другого, причём все эти данные должны стекаться в единый центр обработки, формируя динамическую персональную карту здоровья цифровизированного таким образом человека. С чисто прикладной точки зрения — перспектива светлая: непрерывный мониторинг посредством множества сенсоров, частью действующих изнутри организма, частью носимых снаружи, действительно позволит ощутимо повысить качество жизни многих людей — в особенности страдающих тяжёлыми и/или хроническими заболеваниями.

 У умного активного электропластыря для заживления сложных ран центральный электрод — биоразлагаемый (источник: Northwestern University)

У умного активного электропластыря для заживления сложных ран центральный электрод — биоразлагаемый (источник: Northwestern University)

Впрочем, есть здесь и поводы для беспокойства. Специалисты отмечают, что при целом ряде психических заболеваний сам факт непрерывного нахождения пациента под неусыпным цифровым контролем (тут уже без разницы, живой врач будет анализировать собираемые данные или же сертифицированный ИИ) отнюдь не станет способствовать укреплению душевного равновесия пациента и скорейшему его излечению. Да и вопросы кибербезопасности нельзя сбрасывать со счетов: перехват либо компрометация злоумышленниками потоков столь чувствительных данных ставят здоровье и жизнь людей под особенно серьёзную угрозу.

Радует, однако, тот факт, что цифровые гаджеты с биосенсорами способны не только фиксировать состояние здоровья пациента, но и поправлять его. Так, биодеградирующий электронный пластырь, прототип которого разрабатывают в Великобритании, содержит внешний и внутренний электроды, датчик сопротивления (определяет степень заживления раны по динамике этого показателя), а также NFC-чип для передачи данных и индуктивный контур для получения энергии. Исследования на мышах показали, что такой прибор, создающий на поверхности кожи около раны напряжение около 1 В, стимулирует регенерацию клеток и обеспечивает на 30% более быстрое заживление, чем у контрольной группы животных, раны которых заклеивали обычными пластырями.

 Графеновый биосенсор улавливает соединения с карбоксильными группами в минимальных концентрациях, крайне сложно детектируемых методами классической химии, но уже значимых для биологических систем (источник: Nanomedical Diagnostics)

Графеновый биосенсор улавливает соединения с карбоксильными группами в минимальных концентрациях, крайне сложно детектируемых методами классической химии, но уже значимых для биологических систем (источник: Nanomedical Diagnostics)

По мере нарастания новых клеток выполненный из молибдена внутренний электрод оказывается под верхним слоем кожи, после чего он отсоединяется от остальной части устройства и понемногу растворяется внутри организма, причём концентрация молибдена в тканях возвращается к нормальной спустя 22 недели. Разумеется, таким электронным пластырем предполагается лечить не случайные царапины, а серьёзные раны, не заживающие месяцами, поражаемые инфекциями и при худшем варианте развития событий ведущие к ампутации.

Цифровые биодатчики и иная носимая электроника медицинского предназначения в целом развиваются, по мнению исследователей из Infineon, под девизом «Забота о здоровье — забота о себе» (healthcare is self-care). Здесь подчёркивается личная осознанность и ответственность пациента за всё, что с ним происходит, включая своевременную диагностику возможных проблем со здоровьем, их контролируемую профилактику, а также тщательное соблюдение назначаемых специалистами протоколов лечения. Иными словами, оцифровать человека с целью повысить (в медицинском смысле) качество его жизни вполне возможно — но лишь в том случае, если он сам будет ответственно подходить к формированию своего же цифрового двойника.

Какими умными ни были бы элементы медицинского Интернета вещей, насколько обширной ни оказалась бы база для обучения ИИ, готового анализировать плотные потоки данных с биосенсоров и ставить адекватные диагнозы, — всё это бесполезно, если сам человек не готов взять в свои руки заботу о собственном же здоровье. А техника, насколько бы высокотехнологичной она ни была, в этом — всего лишь подспорье.

 
 
⇣ Содержание
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Вечерний 3DNews
Каждый будний вечер мы рассылаем сводку новостей без белиберды и рекламы. Две минуты на чтение — и вы в курсе главных событий.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥
Schneider Electric ведёт переговоры о покупке Bentley Systems 10 ч.
Новая статья: Atom Bomb Baby: рассказываем, почему Fallout — идеальная экранизация видеоигрового материала, и почему этот сериал не стоит пропускать 11 ч.
Bethesda готовит «несколько очень хороших обновлений» для Starfield, а Fallout 5 не в приоритете 12 ч.
В Dota 2 стартовало сюжетное событие «Павшая корона» с уникальными наградами, новыми «арканами» и комиксом 12 ч.
Связанные одной шиной: «Лаб СП» и «Фактор-ТС» представили отечественную интеграционную платформу Integration Gears 13 ч.
Paradox отказала Prison Architect 2 в досрочном освобождении — релиз отложили ещё на четыре месяца 14 ч.
Спустя 17 лет после релиза Team Fortress 2 получила поддержку 64 бит — выросла производительность и даже боты пропали 15 ч.
Netflix резко нарастила аудиторию и прибыль, запретив совместное использование аккаунтов 16 ч.
Российские студенты победили в чемпионате мира по программированию ICPC 17 ч.
Мошенники стали угонять Telegram-аккаунты через сайты с изображениями 17 ч.
В Японии в 2034 году запустят маглев, скорость движения которого составит 500 км/ч 2 ч.
«Народный» электрический кроссовер Kia EV2 за $14 500 мелькнул на видео 4 ч.
Власти Китая упростили условия привлечения иностранных инвестиций в национальный технологический сектор 4 ч.
Гиперщит с ИИ: Cisco представила систему безопасности Hypershield 12 ч.
Highpoint представила карту расширения на восемь SSD: до 64 Тбайт со скоростью до 56 Гбайт/с 12 ч.
Китайские экспериментальные лунные навигационные спутники прислали фотографии обратной стороны Луны 12 ч.
Налоговая служба Швеции закрыла 18 дата-центров за незаконный майнинг криптовалют 13 ч.
LG выпустила флагманский саундбар S95TR за $1500 с поддержкой Dolby Atmos и настройкой с помощью ИИ 15 ч.
Seagate заявила, что жёсткие диски с HAMR уже не уступают по надёжности традиционным HDD 16 ч.
Corsair представила обновлённые доступные проводные гарнитуры HS35 v2 для геймеров 16 ч.