Нейросети-предсказатели и нанороботы из ДНК: как учёные Петербурга изменили медицину

«Рукастый» наноробот-охотник

Учёные ИТМО сейчас продолжают работать над нанороботом из молекул ДНК, который находит возбудителей болезней. Его уже научили «охотиться» на SARS‑CoV‑2, но в будущем «ориентировки» могут выдать и на другие вирусы и даже онкомаркеры.

В составе робота 215 нуклеотидов (элементарные структурные единицы ДНК и РНК) и подсоединённые четыре специальных «рычага» — «руки», которые нужны для того, чтобы прикрепится к вирусной РНК. Для анализа в образец ткани добавляют раствор с днк-системой и светящееся вещество (флуоресцентный субстрат) для визуализации результата. «Захват» робота активирует расщепление субстрата, который можно отследить — если вирусов нет, то нет и реакции.

Следующий этап разработки — создание на основе технологии удобной тест-системы, которую можно будет использовать даже самостоятельно.

Нейросеть, распознающая «невидимую» эпилепсию

Группа исследователей, в которую вошли и учёные из СПбГУ и НМХЦ им. Пирогова, создала программу для диагностики бессудорожных эпилептических припадков по результатам ЭЭГ.

Учёные рассмотрели приступ как экстремальное явление в живых системах и применили подход, который используется для предсказания катаклизмов — теорию экстремальных значений. Она описывает определённые режимы поведения сложных систем, для которых характерны резкие и масштабные изменения.

Обученная специальным образом нейросеть проанализировала ЭЭГ более 80 пациентов НМХЦ им. Пирогова, «соревнуясь» с настоящим живым эпилептологом. Точность программы уже составила 80%.

Нейросеть сейчас «учится» на доклинических испытаниях. В будущем она поможет сократить время на диагностику в десятки раз.

— Электроэнцефалографию зачастую проводят несколько дней. Затем врач самостоятельно без какой-либо помощи компьютера анализирует длинные записи ЭЭГ, что занимает несколько часов. С помощью нового алгоритма мы рассчитываем сократить это время до 5—10 минут, — рассказал ведущий научный сотрудник СПбГУ Александр Храмов.

Импланты для мозга и «вечные» зубы

Отдельной темой в медицинских исследованиях стало протезирование. Одной из разработок, в которой приняли участие исследователи СПбГУ, стали новые нейронные или «мозговые» имплантаты с высоким уровнем биосовместимости — в них нет металлов. Используются они для восстановления сетчатки глаза, слуха или, например, произвольного контроля движений.

Учёные создали эластический электропроводящий композит на основе силикона и углеродных нанотрубок, которые находятся в «связанном» состоянии, поэтому не вызывают нежелательных побочных реакций в виде повреждения тканей или аутоиммунной реакции организма. Разработка уже успешно показала себя — их протестировали в особенно сложных биологических условиях, где металлические электроды для нейроимплантов использовать просто невозможно.

— Благодаря мягкости и высокой эластичности нашего имплантата удалось разместить его в непосредственной близости от спинномозговых нейронов под твёрдой мозговой оболочкой. Это открывает новые возможности более селективной нейромодуляции и регистрации спинальных потенциалов, — рассказал руководитель проекта и заведующий лабораторией нейропротезов Института трансляционной биомедицины СПбГУ Павел Мусиенко.

Другая разработка петербургских учёных — технология лазерной обработки поверхности зубных имплантатов, над которой работали в ИТМО. Они изучили, какой рельеф лучше всего подходит для биосовместимости инородного тела с костной тканью, и пришли к выводу, что это протяжённая структура в виде микроканавок, размер которых соизмерим с клеточным. За счёт этого можно контролировать направление роста ткани. Благодаря использованию технологии отпадает необходимость в кислотах или абразивных частицах, из-за которых срок «службы» нового зуба сокращается до 10—15 лет. Кроме того разработка решает вопрос бактериального заражения.

Изготовленные таким образом импланты уже прошли испытания и в прошлом году их выпустили на рынок. В будущем, такую обработку могут применить не только для дентальных «обновлений»: например, для тазобедренного сустава, коленной чашечки или черепных имплантатов.

Умеющая видеть будущее сердца нейросеть

В Петербурге нейросети учат смотреть не только на мозговую активность, но и на сердце. Врач Клиники высоких медицинских технологий им. Пирогова СПбГУ Глеб Ким создал программу, которая может спрогнозировать развитие сердечно-сосудистых заболеваний и даже дать рекомендации по их лечению.

Обучают нейросеть «Второе мнение» на базе зашифрованных данных из историй болезни пациентов. Тестируют пока девять различных моделей, и сейчас главная задача проекта — сбор данных, но точность определения имеющихся заболеваний уже более 80%.

По задумке разработчиков нейросеть должна стать помощником врача. Доктору нужно будет загрузить клинические данные, антропометрию, результаты компьютерной томографии аорты и эхокардиографии, после чего нейросеть даст свои прогнозы и рекомендации.

— Мы занимаемся этим вопросом уже два с половиной года. У нас большая команда — это и кардиохирурги, и программисты. Есть договорённости и с Минздравом, и Комитетом здравоохранения Санкт-Петербурга. Далее мы планируем запуск пилотного проекта, а затем распространять систему по стране. В плане внедрения мы пока ориентируемся в сроках одного года, — рассказал Глеб Ким.