Силициева биология? Компютри симулират клетки, виждат болести и правят лекарства
- Успяха да снимат малките кръвоносни съдове на сърцето, да изолират неработещи вериги в мозъка и да създадат синтетични хромозоми
- Учени работят за ваксина крем, лекарства в имплант и край на повръщането при бременни
“Победителят взима всичко!” Хитът на AББA може да е валиден за много случаи, но за един със сигурност не е! Званията “научен пробив на годината” в няколко категории, обявени на глобалната научна среща Falling Walls в Берлин през ноември, безспорно приковаха вниманието на публика и жури. Но цяла плеяда не по-малко вълнуващи, интересни, смислени и значими научни изследвания не само стигнаха до финала, но грабнаха званието победители.
Чували ли сте за силициева биология? Това е сравнително нов клон в науката, който разчита на изкуствен интелект, компютърни изчисления, модели и симулации. Целта е да се правят по-прецизни и ефективни биологични изследвания, които имат потенциал да доведат до по-бързи научни открития и персонализирана медицина.
Повечето от сегашните биологични изследвания разчитат на експерименти с животни. Освен че представляват етичен проблем, проучванията върху опитни мишки често не са напълно достатъчни, за да се разбере истината за болестите и лечението им. Всеки учен, правил такива опити, си е мечтал да получи резултатите по-бързо, те да са по-точни и по-щадящи към животните.
Възможно ли е това? Изглежда – да. Или поне така мисли проф. Али Ертюрк, директор на Института за тъканно инженерство и регенеративна медицина в института Helmholtz и преподавател в университета “Людвиг Максимилиан” в Мюнхен.
Ертюрк и неговият екип, в който има и българин – Михаил Тодоров,
стигат до извода, че могат да извлекат повече и по-качествени данни от по-малко експерименти, ако се съчетаят усъвършенствани техники за изчистване на тъкани с използване на изкуствен интелект. Широкомащабните данни се използват за обучение на AI алгоритми, които да създадат точни цифрови симулации на биологични системи. Целта е да се визуализират и анализират големи биологични тъкани на клетъчно ниво. Технологията позволява изобразяване на цели органи и тела в безпрецедентна детайлност и обхват благодарение на висока разделителна способност.
Иноваторите вярват, че вместо да използват много животни за дълго време, някои проучвания могат да се правят с помощта на подробни 3D карти на цели организми с дигитални симулации, които да показват клетъчни взаимодействия и биологични процеси. Този AI анализ на обширни набори от данни може да ускори изследването на болести и разработването на лекарства, да помага за по-ранни и по-точни диагнози, да проследява по-добре развитието на заболявания като рак и невродегенеративни състояния, и разбира се, да прави повече експерименти, но да използва по-малко животни за това.
Към потенциала на биомедицинските изображения се насочва и Менгсинг Танг от Катедрата по биоинженерство в Имперския колеж в Лондон.
След постдокторското си обучение в Оксфордския университет той основа през 2006 г. ултразвукова лаборатория за изображения и сензори. Така разработва неинвазивни ултразвукови техники със суперразделителна способност и висока резолюция за визуализиране на малки кръвоносни съдове в сърцето.
Мнозина си мислят, че големите коронарни артерии причиняват най-сериозните сърдечни проблеми. Оказва се, че
при 25% от пациентите проблемите са в малките кръвоносни съдове
Те могат да доведат до микроваскуларна коронарна болест и кардиомиопатии, до изтощителна болка в гърдите, която често остава недиагностицирана.
Тъкмо малките кръвоносни съдове обаче остават сравнително слабо проучени. Една от причините е, че съществуващите техники могат да изобразят само големите артерии на сърцето, а малките са истинско предизвикателство заради размера и бързите сърдечни движения.
Мултидисциплинарният екип на д-р Танг, в който участват инженери и физици, разработва набор от ултразвукови изображения и технологии за обработка на данни и успява да направи първите неинвазивни и безопасни изображения на малките кръвоносни съдове със суперразделителна способност в тясно сътрудничество с клинични учени.
“Нашата основна цел е да демонстрираме, че е възможно неинвазивно и в безпрецедентна резолюция да се картографират много малки съдове и кръвния поток в човешките сърца. За да постигнем това, трябваше да преодолеем редица големи препятствия”, разказва д-р Танг пред Falling Walls. Първо трябвало да постигнат неколкократно увеличение на честотата на кадрите за събиране на ултразвукови данни с отлична чувствителност на кръвния поток. Това станало чрез
разработване на персонализиран протокол за
събиране на ехокардографски данни
и реконструкция на изображението. Екипът успял да проследи и коригира сложното сърдечно движение не само в рамките на сърдечния цикъл, но и между сърдечните цикли.
Преди да демонстрират потенциала на технологията при хора, те успели да я оптимизират чрез данни за сърцето на прасе ex vivo – експеримент върху жива тъкан, но в изкуствена външна среда.
Не в сърцето, а в човешкия мозък се вглежда друг победител от категория “Науки за живота” - Андреас Хорн, доцент по неврология в Харвардското медицинско училище и директор на изследването на дълбоката мозъчна стимулация в Центъра за терапия на мозъчните вериги в болницата Brigham в Бостън.
Той смята, че е възможно лечение на неврологични и психиатрични разстройства без лекарства, а само с
идентифициране и модулиране на неработещи мозъчни вериги
и дълбока мозъчна стимулация. “Веригите в човешкия мозък могат да станат дисфункционални по различни причини - генетични фактори, дегенеративни заболявания, естествени мозъчни лезии или токсично влияние. По протежение на тези вериги могат да възникнат трептения, които нарушават здравата мозъчна функция и водят до мозъчни нарушения с неврологични или психиатрични симптоми. Въпреки че дисфункционалните вериги обикновено са малки по обхват, те могат да повлияят на други здрави вериги в мозъка”, обяснява д-р Хорн пред Falling Walls.
Той нарича набора от нефункциониращи мозъчни вериги човешки дисфунктом, който води до неврологични и психиатрични мозъчни разстройства като болест на Паркинсон, обсесивно-компулсивно разстройство, синдром на Турет, болест на Алцхаймер, дистония и депресия.
Д-р Хорн признава, че идентифицирането на нефункциониращата верига си е сериозно предизвикателство. По време на изследването екипът анализирал големи групи пациенти от цял свят, претърпели дълбока мозъчна стимулация. При тази неврохирургична терапия фини електроди насочват слаби токове към мозъчната тъкан и по този начин нарушават патологиите.
“Като анализираме по-големи групи пациенти и свързваме електродите с биофизични модели и електрическа схема на човешкия мозък (човешки конектом), сме готови да идентифицираме дисфункционални вериги, които водят до заболяване”, казва д-р Хорн. Той допълва, че са пионери в методите, които моделират въздействието на всеки електрод върху човешкия конектом. “Споделихме метода и софтуера с други учени, които се интересуват от това”, обяснява изследователят.
Амбицията им е да идентифицират възможно най-много нефункциониращи мозъчни вериги, които водят до нарушения или симптоми в човешкия мозък. Другата им цел е да свържат точките.
“Доказано е, че вериги, които водят до депресивни симптоми при болестта на Паркинсон, обсесивно-компулсивно разстройство или епилепсия, се припокриват с вериги, свързани с голямо депресивно разстройство”, казва доц. Хорн.
Най-високата цел, която си поставят е да разработят методи, които могат да сложат спирачки върху нефункциониращи вериги по възможно най-съзнателния, специфичен за пациента и целенасочен начин.
“Дълбоката мозъчна стимулация е фантастична възможност за лечение, но ние трябва да обърнем внимание и на програмирането, за да сме сигурни, че достигаме до дисфункционалните вериги на конкретния пациент”, обяснява ученият.
Той вярва, че ограничаването на засегнатите участъци чрез намаляване на тяхната активност може да въздейства върху човешкия мозък, да доведе до възстановяване на баланса в него и да облекчи клиничните симптоми или помогне за лечение на неврологични и психиатрични заболявания като паркинсон и алцхаймер, обсесивно-компулсивни разстройства и депресия.
Към инженеринг, но на синтетични хромозоми се насочва Бен Блек от Университета в Пенсилвания. След 4-годишна постдокторантска стипендия в Института за изследване на рака Ludwig той създава собствена група, която работи в областта на хромозомната биология. Д-р Блек вярва, че
синтетичните човешки хромозоми имат огромен потенциал
за напредък в биотехнологиите и генното инженерство както при научни изследвания, така и в биотехнологични, клинични и климатични приложения. “Естествените хромозоми и регулирането на генетичната информация в тях разчитат на верния брой копия. Това е нужно за вярното доставяне на полезна генетична информация и в синтетични хромозоми”, обяснява д-р Блек пред Falling Walls.
Той вярва, че синтетичните човешки хромозоми отварят широки врати в много посоки. Една от тях е хромозомно инженерство. “Аз не съм растителен биолог, но моят екип е развълнуван от перспективата да прехвърлим нашите инструменти и методологични постижения към усъвършенстването на инженерство в растенията. Култивирани растения биха могли да използват енергията на Слънцето за биохимични процеси, които отстраняват замърсители от околната среда”, дава пример д-р Блек.
Чували ли сте за изчислителна геномика? Това е област, която преживява истински бум. В нея работи д-р Бенедикт Патен, професор в катедрата по биомолекулярно инженерство в Калифорнийския университет в Санта Круз. Патен подлага на своеобразно преразглеждане ограниченията на настоящия референтен геном с проект, който нарича “Човешки пангеном”. Целта му е да създаде
референтен геном, който представя глобалното генетично разнообразие
“Основната ни представа за човешка ДНК сега се базира на малка група хора, предимно от европейски произход. Нашият проект има за цел да включи генетична информация от хора по цял свят и да ни даде по-точна картина”, казва д-р Патен пред Falling Walls.
Той не само включва генетични данни от различни популации, но променя начина, по който се представя генетичната информация, преминавайки от прост линеен модел към по-сложен, който показва по-добре как гените варират между хората. Проектът не само работи за картографиране на цели хромозоми от край до край, включително за участъци, които преди са били трудни за изучаване, но добавя информация какво всъщност правят различните части от нашата ДНК. Надеждата на изследователя е да успее да създаде по-всеобхватен глобално представителен генетичен ресурс, който може да се използва за по-прецизна медицина и бъдещи биомедицински изследвания.
Интересен подход за създаване на евтини и стабилни ваксини прилага и друг победител - професорът по биоинженерство от Станфордския университет Майкъл Фишбах. “Ваксините са чудотворни – те са спасили безброй човешки животи. Но повечето от тях имат ограничения. Първо, са скъпи за производство, което ги прави недостъпни за много страни с ниски и средни доходи, второ, са трудни за разпространение, защото изискват спринцовка и здравен персонал, и трето, защитата им продължава година или по-малко, което налага ежегодно ваксиниране. Нашият проект се справя с тези предизвикателства”, казва д-р Фишбах.
Иноваторът преодолява ограниченията, като се вглежда в т.нар. коменсални бактерии, които според него могат да станат добра основа за ваксини, особено в условия с ниски ресурси. “Нашата цел е да разработим нов вид ваксина: приятелска бактерия, която живее години наред в космените фоликули на кожата ви и подготвя имунната система да произвежда антитела”, казва д-р Фишбах. Първата цел, която си поставят, е да ги направят евтини. “Коменсалните ваксини се състоят от бактерия, която не е скъпа за отглеждане. Те са лесни за производство и ако можем да ги произвеждаме в голям мащаб, трябва да са много по-евтини и по-достъпни от РНК ваксините например”, обяснява д-р Фишбах.
Другата цел, която си поставят, е да ги направят стабилни на стайна температура и под формата на крем, така че да се прилагат чрез нанасяне, без да изискват намесата на здравен работник. Ако това стане, ще могат да се пращат и по пощата. “Надяваме се, че това е възможно, защото кожните бактерии живеят в естествена кремообразна среда в продължение на месеци или години при телесна температура”, казва д-р Фишбах.
Третото, на което се надяват, е да направят иновативните ваксини достатъчно мощни, за да осигуряват защита, която продължава 5 или повече години. “Въз основа на нашите ранни данни сме окуражени за тяхната ефективност и дълготрайност на защита”, оптимист е изследователят.
Възможно ли е лекарствата за хронични заболявания да станат по-ефективни, като достигат на точното място в точното време, опитва да разбере Гари Дъфи, професор по анатомия и регенеративна медицина в Медицинския факултет на Университета в Голуей в Ирландия. Като проучва терапиите за хронични заболявания, д-р Дъфи изследва как
лекарствата да бъдат “доставяни” чрез имплантируеми устройства
без обичайната реакция към чуждото тяло, която спира работата им и води до прекъсване на режима на лечение. Д-р Дъфи и екипът му създават имплантируемо устройство за доставяне на лекарства, което преодолява отхвърлянето чрез меки роботизирани задействания. Иновацията обещава равномерно и последователно дозиране на медикамента, без прекъсване на лечебния процес.
Лична история мотивира Марлена Фейзо от Университета на Южна Калифорния да започне да работи по изследване, което я направи победител заедно с ирландско-британския ендокринолог Стивън О'Рахили от Университета в Кеймбридж. “През 1999 г., след като
загубих бебе през 2-ри триместър
поради силно гадене и повръщане по време на бременността, бях решена да открия причината и да я лекувам”, разказва Фейзо пред Falling Walls. Тя е диагностицирана с Hyperemesis Gravidarum (HG) - тежко състояние, което надминава обичайното сутрешно гадене при някои бременни, води до обезводняване и може да бъде животозастрашаващо за майката и бебето. Според д-р Фейзо много от леченията, които се прилагат сега, са неадекватни. Те се съсредоточават върху храненето и преодоляването на симптомите, но това може да доведе до повишен риск от неблагоприятни последици като следродилна депресия или преждевременно раждане.
Д-р Фейзо решила да приложи генетичен подход, за да открие биологичните причини за състоянието и да подпомогне по-ефективни подходи за лечение. Така идентифицирала мутация в един ген - GDF15, която се оказва главен виновник за тежкото състояние. След като започнала да си партнира с д-р Стивън О’Рахили, открили, че HG се причинява основно от свръхчувствителност към хормона по време на бременност поради ниски нива преди това. Работата им продължава в опит как да лекуват HG по-ефективно с лекарства, които блокират хормона.
Коментари