Medycyna 2.0

Szybsza i bardziej precyzyjna diagnostyka, algorytmy zdolne przewidywać chorobę oraz drukarki produkujące części zamienne dla ludzi. Zajrzyjmy w przyszłość medycyny.

Wykonany z tworzywa sztucznego i chirurgicznej stali robot, niczym gigantyczny pająk, ląduje na klatce piersiowej uśpionego pacjenta. Wyposażony jest w długie igły, noże, szczypce chirurgiczne, a także mnóstwo sensorów i kamerę, która umożliwia chirurgowi kontrolowanie posunięć maszyny. Naprawa zastawki serca, usunięcie wadliwych tkanek – robot posłusznie czeka na polecenia, a następnie skrupulatnie i szybko je wykonuje. Po zakończeniu zabiegu błyskawicznie zabezpiecza ranę, zaszywając cięcia z niezwykłą precyzją.

Interfejs człowiek – maszyna

Powyższy akapit to opis jednego z filmów promocyjnych producenta robotów medycznych. Obraz jest spektakularny i na swój sposób trochę przerażający. Lepiej jednak zacznijmy się przyzwyczajać. Tego typu roboty medyczne są używane na świecie już od co najmniej 15 lat. Również w Polsce dysponujemy tak zaawansowanymi urządzeniami, choć u nas są one na razie nieliczne. Trend jest jednak oczywisty: automatyka na sali operacyjnej. Chirurg we wspomnianym filmie promocyjnym jest co prawda wciąż obecny i może kontrolować pracę maszyny za pomocą odpowiedniego zestawu manipulatorów, lecz na sali operacyjnej znajduje się tylko jedna żywa istota: pacjent. Prędzej czy później maszyny zastąpią ludzi w takich pomieszczeniach, a zakres ich autonomii podczas zabiegów chirurgicznych będzie stale zwiększany – w miarę udoskonalania algorytmów odpowiedzialnych za pracę robotów medycznych. Oczywiście istnieją już prototypy, które mogą wykonywać pewne operacje i zabiegi całkowicie bez udziału człowieka – ten ostatni może sprawować nadzór, ale nie musi zdalnie sterować maszyną.

Zespół chirurgów zdalnie operuje pacjenta, za pomocą wyspecjalizowanego i niezwykle precyzyjnego robota chirurgicznego da Vinci Surgical System. Poniżej film prezentujący pracę robota.

Tego typu roboty wykorzystują czujniki działające w paśmie widzialnym, jak również w rentgenowskim, USG i wiele innych sensorów, z których dane umożliwiają ustalenie strategii operacyjnej w konkretnym przypadku na podstawie trójwymiarowego modelu pacjenta. Niektóre grupy badawcze już pracują nad nanobotami, których zadaniem będzie pływanie w krwiobiegu pacjenta i eliminowanie komórek nowotworowych czy podejmowanie innych działań wspierających naturalny układ odpornościowy człowieka inne będą służyć do diagnostyki. Tak, jak to np pokazuje poniższy film.

Leki w indywidualnych terapiach celowanych już przyniosły spektakularne rezultaty w niektórych przypadkach, ale największe postępy są wciąż przed nami. 200 lat temu rozpoczęła się rewolucja przemysłowa, która doprowadziła nasz świat do obecnego stanu. Jest nas więcej niż kiedykolwiek, udało nam się też znacznie wydłużyć średni czas życia, ale wciąż trapią nas rozmaite choroby. Pora na kolejną rewolucję: medycynę przyszłości wykorzystującą zaawansowane osiągnięcia informatyki i elektroniki. Zastąpiliśmy pracę ludzi maszynami, teraz czas, by maszyny ulepszyły nas samych i poszerzyły granice egzystencji ludzkiej biologii

Produkcja ludzkich części zamiennych

Wspólny rozwój zaawansowanych technologii sprzętowych i przetwarzania danych oraz medycyny można rozpatrywać w pięciu różnych obszarach: algorytmów diagnozujących choroby i pomocnych w działaniach profilaktycznych, miniaturyzacji i mobilności laboratoriów medycznych, automatyzacji usług zdrowotnych, indywidualizacji pomocy medycznej oraz masowej produkcji części zamiennych dla konkretnych pacjentów. Wszystkie te działania nie byłyby możliwe, gdyby nie ludzkie osiągnięcia w dziedzinie wydajnego przetwarzania danych oraz wszechobecnej, coraz szybszej łączności sieciowej. Na przykład diagnostyka medyczna nie wspięłaby się na nieosiągalny dotychczas poziom, gdyby nie uprzednio wymyślona digitalizacja obrazu. Konsekwencje wspólnego rozwoju dwóch, wydawałoby się odległych, dziedzin, czyli medycyny i informatyki, są bardzo znaczące, a przede wszystkim praktyczne. Tak uważa m.in. dr Bertalan Mesko, posiadający doktorat z genomiki węgierski lekarz, genetyk i futurysta medyczny, a także publicysta i autor książek traktujących o medycynie przyszłości.

Unowocześnienie narzędzi diagnostycznych oraz poszerzenie ich funkcjonalności przy jednoczesnym uproszczeniu obsługi i zwiększeniu dostępności spowodowało, że coraz częściej mogą z nich korzystać sami pacjenci, a nie tylko lekarze. Ci ostatni mogą z kolei dokładniej opracowywać indywidualne strategie leczenia każdego pacjenta. O jaką precyzję chodzi? Niekiedy wręcz na poziomie DNA – najdokładniejszym z możliwych w sensie biologicznym. Ogólnie rzecz biorąc, medycyna spersonalizowana, automatyka, robotyka czy produkcja części zamiennych w laboratorium diametralnie zmienią relacje pomiędzy pacjentem a lekarzem. Z drugiej strony olbrzymia ilość danych diagnostycznych dotyczących konkretnej społeczności umożliwi prognozowanie zdrowotne o zasięgu obejmującym całe populacje.

Trend 1: Algorytmy leczą lepiej

Ciało ludzkie jest ekstremalnie złożoną strukturą. Im więcej o nim wiemy, tym trudniej czasami postawić diagnozę. Komputerom zawdzięczamy, że  udaje się coraz częściej odnaleźć błędy w naszym „biologicznym systemie operacyjnym”. Któż z nas spodziewałby się, że zachodzi korelacja pomiędzy chaotycznymi zmianami na powierzchni skóry czy niewinną chrypką a zbliżającymi się poważnymi problemami z sercem. Ponieważ uczenie maszynowe jest coraz szerzej stosowane w medycynie – dzięki niemu i karmionym danymi maszynom możemy szybciej zdiagnozować schorzenia i jakiekolwiek odstępstwa od norm w sytuacjach, kiedy człowiek-diagnosta jeszcze nic by nie dostrzegł. Rewolucja informacyjna w medycynie, która umożliwi masowe gromadzenie i przetwarzanie danych celem jak najwcześniejszego zdiagnozowania chorób u indywidualnych pacjentów, poniekąd już trwa, co dzieje się nie za sprawą jakichś niezwykłych urządzeń, lecz smartfonów. Eksperci pracują obecnie nad rozwojem kilku aplikacji, które korzystając z procedur rozpoznawania obrazu, będą mogły wstępnie zdiagnozować właściciela telefonu.

Inteligentna diagnostyka obrazowa w połączeniu z danymi uzyskanymi w badaniach przesiewowych przeprowadzonych za pomocą smartfonów pozwoli bardzo wcześnie wykryć zmiany nowotworowe.

Metoda analizy danych biologicznych, zdolnych do odczytania przez sensory wbudowane w smartfon, jest uniwersalna z racji popularności tych urządzeń mobilnych. Każdy telefon może zrobić zdjęcie, np. zmian skórnych, a wiele modeli pozwala na rejestrację pulsu (nie tylko samych uderzeń serca, ale też charakterystyki brzmieniowej pulsu). Dzięki gromadzeniu danych algorytmy porównawcze szybko wychwycą niepożądane odstępstwa od norm.

Tego typu podejście jest już dziś stosowane m.in. we wczesnej diagnostyce choroby Parkinsona czy niektórych odmian schizofrenii, gdzie analizie poddawane są krótkie nagrania głosowe pacjentów. Zaletą danych okazuje się też to, że nie muszą one być zbierane na bieżąco – komputery można również „nakarmić” danymi archiwalnymi, dzięki czemu często udaje się znaleźć nieznane wcześniej nieregularności i powiązania. Analiza porównawcza pozwala ponadto wykryć nieprawidłowo wystawiane recepty czy przypadki symulowania chorób przez pacjentów. Przed taką analizą nic się nie ukryje. Niemniej pojawiają się też wątpliwości: samodoskonalące się algorytmy przetwarzające olbrzymie zbiory danych stają się niezrozumiałe. Już dziś istnieją programy, które nie są napisane przez ludzi. A jak możemy ufać czemuś, czego nie rozumiemy?

Trend 2: Boty chirurgiczne i nanomedycyna

Komputerowa pomoc bezpośrednia w medycynie i zabiegach chirurgicznych najczęściej jest kojarzona z takimi zaawansowanymi rozwiązaniami technicznymi jak systemy chirurgiczne pokroju robota da Vinci, który potrafi skutecznie wyeliminować ryzyko, że ludzkiemu chirurgowi na kluczowym etapie zabiegu zadrży ręka. Wydajność tego typu systemów chirurgicznych stale rośnie, przy jednoczesnym doskonaleniu zapamiętywanego przez maszynę modelu pacjenta. Dzięki nowym metodom rozpoznawania obrazu roboty chirurgiczne są dziś w stanie działać częściowo, a niekiedy w pełni autonomicznie, w zależności od typu zabiegu. Przykładem może być robot STAR (Smart Tissue Autonomous Robot), który bije na głowę jakiekolwiek chirurga, jeżeli chodzi o szycie tkanek miękkich.

Urządzenie jest wyposażone w sensor 3D oraz m.in. czujniki nacisku – swoją pracę wykonuje nie tylko bardzo szybko, ale i z milimetrową precyzją. W dalszej przyszłości możemy spodziewać się nanobotów medycznych: wysoko wyspecjalizowanych automatów komórkowych, których rój krążący w krwiobiegu pacjenta działałby niczym błyskawiczna ekipa remontowa dokonująca niezbędnych prac konserwacyjnych w układzie mięśniowo-szkieletowym albo likwidująca wykryte komórki z uszkodzonym DNA (zalążki nowotworów). Zaletą nanomedycyny jest możliwość wykorzystania istniejących mechanizmów w organizmie pacjenta, nanoboty do transportu wykorzystują bowiem ruch płynów ustrojowych, a ich środowiskiem jest układ naczyniowy pacjenta.

 Trend 3: Z poczekalni do salonu

Jedna z podstawowych zmian w medycynie, którą zaczynamy odczuwać już dziś, polega na tym, że bogactwo danych przyczynia się do zwiększenia poziomu wiedzy samych pacjentów (ten słynny dr Google), umożliwiając jednocześnie opracowanie nowych narzędzi diagnostycznych. Czując się źle możemy przeprowadzić sami wstępną diagnozę, bez udziału personelu medycznego. Możemy sobie przecież wyobrazić sytuację, gdy inteligentny asystent medyczny wbudowany w smartfon informuje swojego właściciela: „udaj się do najbliższej placówki medycznej, twoje serce nie pracuje normalnie!”. Choć to jeszcze pieśń przyszłości, zalążki takich rozwiązań możemy obserwować już dziś. Na razie powstają głównie, powiedzmy że diagnostyczne aplikacje, takie jak app Diagnoza i leczenie, gdzie odpowiadając na rozliczne pytania możemy ewentualnie spróbować się zdiagnozować. Niewykluczone, że w przyszłości będziemy mieli np. sprzęty domowego użytku wyposażone w czujniki chemiczno-biologiczne, pozwalające automatycznie dokonywać skomplikowanych pomiarów bez naszej wiedzy i dzięki temu rozpoznawać wczesne symptomy groźnych schorzeń (np. poprzez analizę potu, krwi, śliny i innych wydzielin ludzkiego organizmu). Nanotechnologiczny rój robotów diagnostycznych połknięty razem z obiadem dokona kompleksowej analizy układu trawiennego, informując o wynikach właściciela i ewentualnie odpowiednich specjalistów, np. gastroenterologa, w razie wykrycia jakichkolwiek nieprawidłowości. Zobaczcie, jak działa taki robot opracowany przez MIT.

Automatyka pozwoli również na szersze korzystanie z wiedzy wybitnych specjalistów w wąskich dziedzinach – za pośrednictwem chirurgicznych botów będą mogli oni przeprowadzać lub nadzorować operacje na pacjentach z drugiego końca świata. Bogactwo danych przyczyni się do jeszcze jednej bardzo istotnej zmiany: przesunie punkt ciężkości w dziedzinie medycyny z leczenia na zapobieganie. Nie można jednak zapomnieć, że wymaga to zupełnie nowych regulacji w zakresie ochrony danych i wiąże się z zagrożeniami prywatności.

Trend 4: Części zamienne z drukarki 3D

Już dziś możliwe jest wytwarzanie za pomocą drukarek 3D protez z tworzyw sztucznych, jednak w bliskiej perspektywie rysują się znacznie większe możliwości niż tylko wytwarzanie skomplikowanych modeli ze złożonych wzorców.

Wszystko dzięki opracowywanym specjalnym materiałom, które będą mogły przenosić impulsy generowane w układzie nerwowym, a to z kolei umożliwi, np. protezie, przewodnictwo impulsów mięśniowych.

Odpowiednie organiczne materiały pozwolą na wytwarzanie zapasowych narządów w drukarce 3D, mogą one być trwalsze od oryginału.

Drukowanie 3D to nie tylko protetyka, ale również możliwość wytwarzania tkanek biologicznie zgodnych z konkretnym pacjentem. Kilka zespołów badawczych zaprezentowało już metody produkcji tkanek w pełni zgodnych z ludzką skórą, a w przypadku niektórych drukarek próbowano również bezpośredniego nanoszenia („drukowania”) materiału biologicznego na ranę, wcześniej dokładnie zmierzoną za pomocą sensorów laserowych. Co ważne, sztuczna skóra jest strukturą wielowarstwową, tak jak prawdziwa skóra. Drukarka 3D teoretycznie umożliwia wytworzenie dowolnej trójwymiarowej struktury. Dzięki opracowaniu metod wytwarzania biologicznych materiałów w przyszłości będziemy mogli uzyskiwać z takich drukarek całe narządy, w pełni biologicznie zgodne z oczekującym na nie pacjentem.

Trend 5: Indywidualne uzdrawianie

Cztery opisane dotąd trendy spotykają się w piątym super trendzie medycyny przyszłości – mowa o medycynie ściśle spersonalizowanej. Zamiast diagnostyki i terapii uniwersalnych, obliczonych na pomoc jak największej liczbie pacjentów z użyciem tej samej metody, poszczególne zabiegi, leki czy sposoby terapii będą projektowane (i produkowane) dla poszczególnych pacjentów – a dokładniej dla konkretnego genomu i konkretnej biochemii komórkowej. Zalążki takiego trendu obserwujemy już dziś w przypadku leczenia niektórych schorzeń, nawet tak poważnych jak nowotwór płuc. Lekarze określają za pomocą odpowiednich badań, jakiego typu mutacje występują w komórkach nowotworowych, a następnie w zależności od wyników dobierają spersonalizowany schemat dawkowania odpowiednich preparatów, które mają zniszczyć konkretny typ nowotworu u danego pacjenta z możliwie jak najmniejszymi skutkami ubocznymi. Nie da się ukryć, że spersonalizowana medycyna jest jeszcze w powijakach. Jednak im więcej danych na temat ludzkiego genomu, ścieżek molekularnych ludzkiej biologii oraz genomu patogenów uzyskujemy, tym większa szansa, że z czasem coraz skuteczniej będziemy likwidować potencjalne zagrożenia, znajdując groźne korelacje i uprzedzając atak choroby, zanim jeszcze wystąpi jej pierwszy objaw.

Przyszłość dla wszystkich

Mimo zacierania się granic pomiędzy biologią a techniką musimy pamiętać, że nawet najbardziej spektakularny sukces w leczeniu chorych pacjentów jest w gruncie rzeczy swego rodzaju porażką, ponieważ naszym nadrzędnym celem winno być nie tyle leczenie, co zapobieganie. Nawet najbardziej innowacyjna metoda terapii nowotworów nie uchroni pacjentów przed bólem i cierpieniem, którego doznali, zanim przystąpili do leczenia. Dlatego przyszłość medycyny to nowy standard: proaktywna ochrona organizmu nie tylko powinna mieć charakter zaawansowanej profilaktyki, ale – co znacznie ważniejsze – być jak najszerzej dostępna. Medycyna przyszłości to medycyna egalitarna. Im więcej danych medycznych o nas samych udostępnimy maszynom i coraz bardziej wyrafinowanym algorytmom diagnostycznym, tym trafniejszą diagnostykę otrzymamy. Miejmy nadzieję, że właśnie dzięki technologii zaawansowanego, głębokiego uczenia maszynowego (tym skuteczniejszej, im większy zbiór danych jej udostępnimy) pomoc otrzyma każdy, kto jej potrzebuje, a nie tylko ci, których na to stać. | CHIP