Человек с точки зрения инженера. Над чем работают в Московском физтехе

Мы редко замечаем работу инноваторов. Пока большие корпорации не представят миру новый смартфон, автомобиль или лекарство, работа ученых и инженеров остается за рамками нашего внимания – ее обсуждают в лабораториях, на профессиональных конференциях и на встречах с венчурными инвесторами. Но если вы хотите понять, как может выглядеть будущее, то стоит пообщаться с теми, кто уже сейчас создает какую-то его часть. Как говорил американский фантаст Уильям Гибсон: «Будущее уже наступило. Просто оно еще неравномерно распределено».

Изменения в биотехнологиях кажутся особенно незаметными, но – поверьте – они грандиозные. Сочетание биологии и технических наук позволяет смотреть на живые организмы с абсолютно новой стороны – как на сложно организованный компьютер с понятными механизмами регулирования. Исследованиями в этом направлении активно занимаются в Московском физтехе, где биология нашла подкрепление в виде физико-технической базы. Мы поговорили с тремя исследователями, которые делают очень важные проекты в области биотеха.

Руководитель лаборатории нанобиотехнологий МФТИ Максим Никитин

Наночастицы вместо iPhone

Обычному человеку не нужно объяснять, зачем ему iPhone. С биологией и здоровьем почему-то происходит по-другому – мало кого интересует эта сфера. И это несмотря на то, что IT предлагает решение проблем, о существовании которых мы редко задумываемся, а биология решает те, о которых человек думает всю свою жизнь. Проблема, над решением которой мы сейчас работаем, – диагностика заболеваний на ранних стадиях при помощи наночастиц.

Быстрые анализы и диагностика болезней

Тест-полоски – новая технология для проведения быстрых анализов прямо в кабинете лечащего врача. Всем известны тесты, которые выдают ответ в формате «да/нет», – это тесты на беременность, на наличие антибиотиков и наркотиков в крови. Но такого однозначного ответа не всегда бывает достаточно, иногда нужно перевести результат в количественный формат. Тест-полоски с магнитными наночастицами позволяют детектировать молекулы в крови или слюне и за 10 минут дают тот же результат, что и сложные лабораторные анализы.

Всем известны тесты, которые выдают ответ в формате «да/нет», – это тесты на беременность

Еще одна технология, разработкой которой мы занимаемся, – магнитный датчик, способный увеличить чувствительность диагностики – допустим, улучшить детекцию метастазов в лимфоузлах. Стандартная процедура при раке груди сейчас выглядит так: врач обкалывает опухоль, вводя специальный краситель, который распространяется и прокрашивает лимфоузлы. На основе интенсивности прокрашивания врач принимает решение об удалении опухоли. Но красители токсичны, а врач руководствуется собственными заключениями: сильно прокрасилось или не очень? Мы предлагаем использовать гораздо менее токсичные магнитные частицы, которые будут давать количественный результат и позволят даже молодому неопытному врачу поставить правильный диагноз.

Умные лекарства

За интеллектуальными системами доставки лекарств будущее – скоро мы будем знать, как доставить лекарство прямо к больным клеткам, и научимся делать это без значительных потерь. Мы уже придумали систему, с помощью которой наночастицы могут производить молекулярные вычисления, как многофункциональные биокомпьютеры, и управлять доставкой лекарств. Эти нанороботы анализируют состояние присутствия или отсутствия – например, при диабете частица будет активирована, когда в организме много глюкозы и мало инсулина одновременно, а во всех остальных случаях она будет неактивна. Эта адресная доставка необходимых элементов сможет доставлять лекарство по более точному адресу и будет мягко воздействовать на клетки, а не убивать их, что позволит увеличить продолжительность жизни и скажется на ее качестве.

Заведующий лабораторией прикладных кибернетических систем МФТИ Тимур Бергалиев

Высокотехнологичные протезы

Люди хотят быстрее учиться, быстрее читать, быстрее бегать, дольше жить, меньше болеть и больше успевать. За реализацию этих желаний во многом отвечают технологии и человекомашинные интерфейсы, которые окружают нас всюду, – кнопка клавиатуры или компьютерная мышка – это тоже человекомашинный интерфейс. Те интерфейсы, которые мы разрабатываем, основаны на регистрации и обработке нейросигналов – мышечной и мозговой активности – и помогают в повседневной жизни людям, которые лишились конечности.

Мы рассматриваем человека с инженерной точки зрения

Мы работаем с электрическими сигналами, возникающими в мышечных клетках. Условно говоря, мы учим машину распознавать мышечные команды и подстраиваться под определенного человека. «Единица» – открыть, «нолик» – закрыть. С этой простой схемы начинаются любые протезы, она надежна и понятна, но не очень функциональна. Наша главная задача – увеличить функционал протеза и сделать так, чтобы не человек учился управлять протезом, а протез подстраивался под человека, распознавая мышечные команды. Это устройство работает благодаря электромиографическим сигналам, возникающим в мышцах, – эти сигналы (например, сжатие руки или поднятие вверх пальца) можно считать с поверхности кожи и преобразовать в реальные команды. Для того чтобы привести такой протез в действие, человеку с ампутированной конечностью может быть достаточно просто представить, как он делает необходимый жест, – протез среагирует на биоэлектрический импульс и воспроизведет задуманное движение.

Диагностика психического состояния

Мы рассматриваем человека с инженерной точки зрения и придумываем модели, которые помогают нам понять, почему мы двигаемся и ведем себя определенным образом, почему чувствуем себя именно так, а не иначе. Те же нейросигналы позволяют распознавать психофизиологические состояния человека, фиксируют уровень стресса, бодрости и усталости. Это можно использовать не только для врачебной диагностики, но и для оптимизации спортивных нагрузок. Снимаемые носимыми гаджетами электросигналы помогут не перегружать мышцы и выбрать оптимальный тренировочный план.

Нейронные соцсети

Благодаря технологии регистрации и обработки нейросигналов можно будет создавать различные человекомашинные устройства управления. Силой мысли, надев специальную нейрошапочку или нейроободок, можно будет управлять физическими объектами. Стоит предположить, что люди смогут и общаться друг с другом напрямую в условных нейросоцсетях при помощи нейроинтерфейсов, которые будут передавать определенные сигналы от одного человека к другому.

Научный сотрудник лаборатории нанооптики и плазмоники МФТИ Юрий Стебунов

Разработка лекарств

Как раньше разрабатывали лекарства? Люди замечали, что плесневые грибы помогают от инфекций, и начинали что-то из них экстрагировать, пока не получился пенициллин. И так произошло со многими лекарственными препаратами. Сейчас это делается по-другому: лекарства синтезируют искусственно так, чтобы они действовали на определенную мишень в организме. Но исследовать, как именно они действуют на человека, по-прежнему сложно – для этого проводят сложные и негуманные исследования на животных, которые далеко не всегда дают понимание, как лекарство будет действовать на человека. Наша цель – заменить существующие методы тестирования лекарств и научиться с помощью биосенсоров изучать взаимодействие этих лекарств с тканями организма.

Что такое биосенсор?

Биосенсор – инструмент тестирования новых лекарств на степень их эффективности и токсичности. Он чем-то напоминает принтер со сменными картриджами, на которые можно посадить любые мишени и проверить, как, например, ткань легкого реагирует на внешний раздражитель.

На разработку одного лекарства сейчас уходит в среднем 10 лет

Эти сенсоры были придуманы 30 лет назад и используются в медицине, но подходят для тестирования узкого класса препаратов. Для расширения функционала им не хватает чувствительности. Мы решили эту проблему, поменяв связующий слой, который приклеивает на себя мишени, на графен, открытый в 2004 году выпускниками Физтеха, за который в 2010 году они получили Нобелевскую премию. Графен уникален тем, что это самый тонкий в мире материал, толщиной всего 1 атом, но при этом у него огромная площадь поверхности, на которую в отличие от ранее используемых материалов можно прикрепить много мишеней. Сейчас мы наносим на чипы уже готовые растворы графена, но пытаемся научиться выращивать высококачественный графен сразу на поверхности чипов.

Поиски лекарств

На поиски лекарств от рака, вирусных болезней и болезни Альцгеймера тратятся триллионы долларов и жизни многих тысяч животных – фармацевтические компании выпускают все новые и новые лекарства, и бывает так, что по прошествии нескольких лет признается их неэффективность и опасность для здоровья. При этом на разработку одного лекарства в среднем уходит 10 лет. Тестирование лекарств на людях и животных длится месяцами и зачастую дает противоречивые результаты. В частности, к страшной трагедии привело использование успокаивающего средства талидомида. Лекарство успешно прошло все испытания на людях и животных, однако впоследствии у женщин, принимающих его, родилось около 10 тысяч детей с пороками развития конечностей. Созданные нами биосенсорные чипы подходят для анализа всех типов выпускаемых лекарств, а время проведения каждого анализа составляет всего пять минут, что ускорит процесс тестирования и значительно его удешевит.

Будущее биосенсоров

Старые методы тестирования уйдут в прошлое – можно будет просто моделировать реакции организма на тот или иной препарат. Также биосенсоры будут использоваться в быту – их можно, например, поставить в кондиционер для определения чистоты воздуха и количества аллергенов или в туалет для проведения моментальных анализов. Биосенсоры будут встраиваться в умную одежду, телефоны и гаджеты – это станет универсальным способом диагностики не только болезней, но и качества многих продуктов.

Текст: Ксения Витюк. Фото: Арсений Несходимов для Slon Magazine

https://slon.ru/posts/73788

MIPT Alumni Network25 октября 2016
541
 0.00