Пандемия COVID-19 показала слабые места систем здравоохранения по всему миру, ускорив при этом развитие инновационных подходов в медицине. Фармацевтические компании и небольшие биотехнологические стартапы запустили десятки клинических испытаний, направленных на поиск решения для борьбы с коронавирусом. Некоторые из этих разработок повлияют на то, какой будет медицина будущего.
Применение технологии мРНК для вакцин
Матричная РНК (мРНК) — это молекула, которая переносит информацию о первичной структуре белка от ДНК до места, где он синтезируется (рибосомы). Идея использовать мРНК для разработки вакцин давно посещала ученых, но за рамки лабораторных исследований не выходила. Считалось, что эта технология слишком дорогая для использования в качестве лекарства или вакцины. Кроме того, последствия применения таких вакцин были не до конца известны.
Компании BioNTech, Pfizer и Moderna провели первые клинические испытания препаратов на основе мРНК, когда создавали вакцины против COVID-19. Эффективность в предотвращении заражения коронавирусом составила 95% для вакцины Pfizer/BioNTech и 94,5% для Moderna.
Традиционные вакцины содержат в себе ослабленные или нежизнеспособные вирусы и бактерии или их фрагменты. На разработку уходит несколько месяцев, если не лет. В мРНК-вакцине используется только генетическая информация об S-белке, который участвует в присоединении коронавируса к клеткам и редко меняет структуру. Благодаря этому ученые могут создать препарат за несколько дней, как только получат расшифрованный геном вируса. Технология может быть эффективнее при разных штаммах и мутациях: в отличие от традиционных мРНК-вакцины не «знакомят» организм с вирусом, а обучают иммунную систему реагировать на тот или иной патоген.
мРНК-технология доказала эффективность в рамках пандемии COVID-19, поэтому ученые планируют расширить ее применение: работают над созданием вакцины от ВИЧ-инфекции, исследуют потенциал мРНК, чтобы мобилизовать иммунитет против рака, и планируют заменить менее эффективные традиционные вакцины, например от гриппа.
Возможности носимых устройств для раннего обнаружения заболевания
Популярность носимых устройств, таких как «умные» часы, браслеты, кольца, помогла ученым во время пандемии. Они смогли подтвердить гипотезу о том, что заражение COVID-19 можно определить еще до того, как человек заметит симптомы, используя постоянно собираемые данные о температуре кожи и других физиологических показателях. Эти результаты помогут стимулировать дальнейшие исследования и разработки носимых устройств, которые способны распознавать различные заболевания на ранних этапах.
Телемедицина
В период пандемии сотрудники медицинских учреждений подвергаются наибольшему риску и ищут способы избежать заражения, не снижая эффективности лечения пациентов. В этом им помогают разработки из области телемедицины. Так называют дистанционное предоставление медицинских услуг и взаимодействие медицинских работников между собой с помощью телекоммуникационной инфраструктуры. С помощью телемедицины врачи могут консультировать, диагностировать и лечить пациентов без необходимости личного посещения, совещаться с более опытными коллегами и обучать молодых врачей.
Израильская компания TytoCare создала решение для удаленного обследования. При помощи специальных стетоскопов, которые находятся у пациента, медики могут удаленно получать данные самостоятельного осмотра больного, слушать его сердце и легкие, осматривать уши и горло.
Больницы в Израиле уже работают с TytoCare над исследованием пациентов в карантинных палатах, а также наблюдают людей на самоизоляции. Так врачи получают важные клинические данные и сводят к минимуму физический контакт с заболевшими.
Компания ResMed производит устройства для искусственной вентиляции легких, чтобы лечить апноэ. Программное обеспечение через облако отправляет медицинским работникам данные для анализа и размещения на информационной панели, чтобы медики могли удаленно контролировать и настраивать приборы. Так пациенты из группы высокого риска, находящиеся на вентиляции легких, могут оставаться под наблюдением в домашних условиях.
Внедрение этой технологии ускорили такие факторы как нехватка врачей, чрезмерная нагрузка на систему здравоохранения, барьеры социального дистанцирования и необходимость дистанционных консультаций. Число пользователей быстро увеличивается, и 83% пациентов планируют продолжать использовать решения телемедицины после пандемии. Развитие ИИ, AR и VR, использование потенциала носимых устройств упростит и повысит качество дистанционной диагностики и лечения.
Предсказательная аналитика
Пандемия показала, насколько важно для медицинских работников быть готовыми к кризисам: всплески случаев COVID-19 могут привести к перегрузке больниц и нехватке лекарств и оборудования.
Несколько американских больниц в экспериментальном порядке опробовали инновационные способы прогнозирования очагов распространения COVID-19:
- Детская больница Филадельфии использует данные о погоде, чтобы отслеживать вспышки COVID-19. По мнению исследователей, чем теплее на улице, тем быстрее распространяется коронавирус. Это объясняется тем, что люди больше общаются во время прогулок, и вирус дольше остается на поверхности в теплые месяцы.
- Чикагская компания Common Spirit Health использует обезличенные данные мобильных телефонов, системы общественного здравоохранения и собственные данные, чтобы спрогнозировать изменения в спросе на медицинское обслуживание и подготовиться к росту числа пациентов с COVID-19.
- Исследователи Кливлендской клиники разработали первую модель для прогнозирования вероятности положительного результата теста на COVID-19 и исхода заболевания. Модель делает анализ на основе возраста, расы, пола, социально-экономического статуса, истории вакцинации и принимаемых лекарств.
Хотя эти инструменты не могут точно предсказать будущие всплески COVID-19 или других заболеваний, они могут проинформировать системы здравоохранения о том, чего стоит ожидать в ближайшие месяцы, и помочь больничным системам в планировании нагрузки.
Цифровое отслеживание контактов и взаимодействий
Технологии отслеживания контактов появились как способ контролировать распространение COVID-19. В мае 2020 года Apple и Google запустили систему, которая использует Bluetooth для взаимодействия устройств iOS и Android. Это позволило сторонним разработчикам и агентствам общественного здравоохранения создавать приложения, которые могут отслеживать и уведомлять людей, если они находились рядом с теми, у кого был положительный результат теста на COVID-19.
Исследователи показывают, что приложения для отслеживания контактов сами по себе не смогут взять под контроль пандемию, но могут помочь снизить риск заражения во время будущих эпидемий, если получат адекватную политическую поддержку и должным образом интегрируются в системы общественного здравоохранения.
Инновационные методы тестирования
В свете пандемии COVID-19 растет спрос на медицинские тесты, которые дают быстрые и точные результаты, недорого стоят и в идеале могут проводиться кем угодно и где угодно. Вот несколько разработок, которые могут удовлетворить эту потребность.
Быстрое тестирование на COVID-19
Исследователи из Великобритании разрабатывают способ быстрого тестирования на COVID-19, который дает очень точные результаты всего за несколько минут. Метод RTF-EXPAR так же чувствителен, как ПЦР и LAMP, которые в настоящее время используются в больницах, но быстрее.
Тесты выявляют вирусную РНК, которая может присутствовать в мазках, взятых из носоглотки, в очень низких количествах.
Процесс состоит из двух этапов:
- Преобразование из РНК в ДНК (обратная транскрипция).
- Многократная амплификация — увеличение числа копий ДНК, чтобы его можно было обнаружить в образце.
При низкой концентрации вируса ПЦР-тест обнаруживает его за 42 минуты, LAMP — за 11, а EXPAR — за 8. Если концентрация вирусной РНК высокая, то ПЦР-тест займет 34 минуты, LAMP — 11, а EXPAR — всего три минуты.
Рекордная скорость теста RTF-EXPAR обусловлена тем, что ученые разработали более простой способ преобразования РНК в ДНК и использовали метод амплификации, альтернативный ПЦР и LAMP, который позволяет быстрее обнаруживать вирус в образце. Анализ на основе РНК в дальнейшем может применяться для обнаружения других инфекционных агентов, а также в местах, где нет лабораторий для клинических испытаний.
Обнаружение антител с помощью биолюминесценции
Исследователи из Технического университета Эйндховена (TU/e) и Утрехтского университета разработали новый тип датчика, который сочетает в себе чувствительность и точность лабораторных измерений со скоростью и низкой стоимостью домашних тестов.
Тест может измерить количество антител COVID-19 в небольшом образце крови. В этом методе используется люцифераза — тот же фермент, который заставляет светлячков светиться. Он помогает выявить антитела в образце крови и определить их количество.
Эта технология представляет собой быструю и недорогую альтернативу традиционным иммуноанализам в клинических лабораториях и в местах оказания медицинской помощи.
Перепрофилирование уже существующих лекарств
На исследования и разработку новых лекарств уходят годы. В пандемию такого количества времени нет, эффективное средство требуется как можно скорее. Вместо того чтобы пытаться создать новое лекарство, ученые проверяют на эффективность в борьбе с коронавирусом уже существующие препараты. Например, свои разработки представила группа исследователей QBI Coronavirus Research Group (QCRG).
Один из способов поиска лекарств для лечения конкретного заболевания — это изучение отдельных генов и белков, на которые оно оказывает непосредственное влияние. Однако гены и кодируемые ими белки обычно не являются единственной причиной заболевания. Они взаимодействуют с большим количеством самых разных белков, которые ученые называют белковыми сетями (protein networks).
Построив карту взаимодействия белков для COVID-19, ученые обнаружили 69 действующих веществ, которые влияют на белковые сети, связанные с коронавирусом. Из них 29 уже одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (Food and Drug Administration, FDA) для лечения других заболеваний. Например, выяснилось, что аплидин (плитидепсин), который в настоящее время используется для лечения рака, в 27,5 раза более эффективен, чем ремдесивир (в 2020 году получил разрешение для экстренного использования при лечении коронавируса в США) при лечении COVID-19.
Исследовать белковые сети можно не только для поиска лекарств от коронавируса, но и для борьбы с другими патогенами, раком и психическими расстройствами. Ученые используют этот подход, чтобы открыть новые терапевтические стратегии и посмотреть, можно ли использовать существующие лекарства для лечения новых заболеваний.
Робототехника
Чтобы сократить личные контакты медицинских работников с пациентами и снизить нагрузку на обслуживающий персонал, система здравоохранения привлекла роботов.
Стартап по производству беспилотных автомобилей Nuro предоставил транспортных роботов для помощи врачам в полевые госпитали Калифорнии. Автономные автомобили доставляли еду, средства индивидуальной защиты (СИЗ), чистое постельное белье пациентам, заразившимся COVID-19.
Другой пример — робот по имени Moxi от компании Diligent Robotics, который работает помощником медсестры. Он может выполнять простые задачи, например, доставлять лекарства и СИЗ пациентам и врачам. Компания планирует сделать робота-помощника отраслевым стандартом.
Профилактические меры
Рекомендации ВОЗ по предотвращению заболевания COVID-19 основываются на социальном дистанцировании, ограничении количества контактов и правилах гигиены — регулярном мытье рук и ношении масок в общественных местах. Постепенно эти меры становятся социальной нормой. Например, люди привыкли к маскам и используют их как аксессуар, а не просто как средство защиты. При этом те, кто носит маски не готовы рисковать и отказываться от других защитных мер. Ученые Кембриджского университета и Королевского колледжа в Лондоне провели исследование, которое показало, что люди, которые предпочитают носить маску, не склонны реже мыть руки.
Опыт азиатских стран показывает, что соблюдение рекомендаций может стать частью повседневной жизни и после пандемии. Эти страны имеют более длительную историю ношения масок: после атипичной пневмонии в 2003 году их используют как для защиты от инфекций, так и для защиты от загрязненного воздуха.
3D-печать средств индивидуальной защиты
Наряду с социальным дистанцированием средства индивидуальной защиты (СИЗ) являются одной из действующих профилактических мер. Быстрое распространение COVID-19 сформировало критическую нехватку этих медицинских материалов, которые требуются для борьбы с пандемией. Почти половина врачей в Великобритании испытывали трудности и были вынуждены самостоятельно искать средства защиты.
Внезапный спрос привел к быстрой модификации, разработке и распространению СИЗ, напечатанных на 3D-принтере. Например, Манчестерский университет перепрофилировал специализированное оборудование в своем кампусе, чтобы помочь в производстве защитного оборудования для сотрудников Национальной службы здравоохранения Великобритании (NHS), борющихся с COVID-19.
Простота санитарной обработки и возможность повторного использования средств индивидуальной защиты, напечатанных на 3D-принтере, может помочь медикам во время их дефицита. Кроме того, это будет способствовать уменьшению биомедицинских отходов.