О проекте DigiTwins и флагманских проектах ЕС
Future and Emerging Technologies (FET) Flagships – это инициатива Европейской комиссии по отбору ведущих разработок для долгосрочного финансирования. Проекты, которые получат такую поддержку, должны не только быть ориентированы на практику и решать актуальные проблемы, но и способствовать развитию международного сотрудничества, привлекать в Европу выдающиеся научные кадры со всего мира, создавать новые рабочие места. Проекты FET спонсируются в течение 10 лет, общий фонд программы – один миллиард евро. Одними из первых проектов по программе в 2013 году стали «Graphene» («Графен»), который нацелен на изучение свойств и практических применений этого двумерного материала, и «Human Brain Project», который анализирует огромную массу данных о человеческом мозге для понимания закономерностей его работы.
В середине мая были объявлены результаты предварительного этапа конкурсного отбора на новые проекты, которые присоединятся к FET Flagships. В течение лета все консорциумы, чьи заявки получили одобрение, должны подготовить пакет документов о работе своего проекта и предоставить его на рассмотрение экспертной комиссии до 18 сентября. После этого будут определены победители.
DigiTwins стал одним из немногих проектов, которые прошли первый этап конкурсного отбора. Это проект по созданию цифровых двойников для каждого жителя Евросоюза. Инициативу возглавляют три ученых: профессор Ханс Лехрах из крупнейшего медицинского комплекса Шарите в Берлине (Prof. Hans Lehrach, Charité – Universitätsmedizin Berlin), доктор Нора Бенхабилес из Комиссариата по атомной и альтернативным видам энергии во Франции (Dr. Nora Benhabiles, CEA – French Alternative Energies and Atomic Energy Commission) и доктор Рольф Цеттль из Берлинского института здоровья (Dr. Rolf Zettl, Berlin Institute of Health). Благодаря проекту эксперты хотят ускорить исследования в области биомедицины, а также улучшить медицинскую помощь на всех ее уровнях.
Сегодня в медицине существует фундаментальная проблема. Каждый пациент биологически уникален, поэтому на каждого лекарственные препараты действуют по-разному. Методика лечения основана на построении диагноза, который врач делает исходя из своей медицинской практики. Затем врач смотрит, насколько эффективно лечение действует на пациента. То есть лечение в той или иной степени основано на методе проб и ошибок. Это не только порой приводит к фатальному результату, но и дорого обходится системе здравоохранения Европы, где около 200 тысяч пациентов ежегодно умирают из-за неблагоприятных реакций на лекарственные препараты, а большое количество пациентов страдают из-за медикаментозной терапии, которая не дает положительного эффекта, а зачастую имеет неожиданные побочные эффекты. Все эти факторы приводят к постоянному росту финансовых издержек в Европейской системе здравоохранения: сейчас это более четырех миллиардов евро в день, и эта сумма постоянно растет.
Миссия DigiTwins – сделать лечение для каждого человека индивидуализированным, научиться предсказывать те или иные заболевания, а также давать рекомендации по стилю жизни для их предотвращения. Таким образом разработчики проекта стремятся создать масштабную систему поддержки принятия решений для медицинского персонала, а также для ученых, которые разрабатывают новые лекарства.
Что изменится для пациентов? Предположим, на ранних этапах жизни пациент создает своего цифрового двойника, который содержит информацию о биологических данных, генетике, образе жизни прототипа. В периоды болезни человек приходит к врачу. Врач заносит симптоматику пациента в базу цифрового двойника, ставит диагноз и назначает цифровому двойнику лечение. Затем врач смотрит, как именно лечение повлияло на двойника, и если оно было неэффективным, то назначает другое лечение, пока не найдет то, что лучше всего поможет. И именно этот, наиболее эффективный вариант будет предложен живому человеку. То есть цифровой двойник поможет не тестировать различные методики лечения на живом человеке. В дальнейшем нейросеть, которая ответственна за существование цифрового двойника, сохранит данные о болезни живого человека и модифицирует цифрового двойника в соответствии с ними. Благодаря машинному обучению двойник сможет самообучаться, то есть строить предсказательные модели о своем будущем «здоровье», а значит, и о здоровье живого человека.
Благодаря инициативе у ученых появится больше медицинских данных, с помощью которых можно будет проводить более эффективные и безопасные клинические исследования, а также ускорить саму разработку лекарств. То есть ученые смогут проводить «виртуальные клинические испытания». Таким образом, проект DigiTwins нацелен и на создание новых медицинских препаратов и устройств, в том числе на основе нанотехнологий, которые позволят таргетно доставлять лекарственные препараты к пораженным органам, а также совершенствовать методики медицинского сенсинга. Кроме этого, ожидается развитие робототехники для медицинских приложений, технологий пересадки органов и замены их имплантами.
Кроме продвинутой диагностики и разработки новых лекарств у проекта есть еще три составляющие. Первая направлена на устойчивое развитие общества за счет того, что DigiTwins будет привлекать к разработке студентов и аспирантов, обеспечивать международное сотрудничество, а также индивидуализировать взаимодействие с пациентами. Вторая составляющая – это развитие необходимой для проекта инфраструктуры, а в особенности информационных технологий в области машинного обучения, защиты данных, анализа больших данных и других. Затем эти наработки можно будет использовать и в других областях. И третья составляющая – это создание предсказательных моделей развития здоровья пациентов, в том числе с использованием сенсоров, которые можно будет подключать к различным устройствам Интернета вещей, например.
Роль Университета ИТМО в проекте
Лаборатория «Гибридные наноструктуры для биомедицины» Университета ИТМО – единственный участник международного консорциума DigiTwins из России. Группа занимается разработкой гибридных наноструктур для тераностики различных заболеваний, в том числе онкологических. Тераностика – это подход, при котором в одном препарате сочетаются диагностические и терапевтические свойства. Гибридные наноструктуры позволяют комбинировать разные лекарственные препараты и помимо химических методов воздействия использовать терапевтические подходы, основанные на физических методах воздействия на пораженные органы, ткани и клетки. Также они позволяют сделать так, чтобы лекарственный препарат был высвобожден из капсулы только тогда, когда оболочка капсулы вступит в контакт с определенной поверхностью, например, клетками какого-либо органа, в том числе раковыми. Благодаря этому удастся не только снизить общий токсикоз организма при лечении, но уменьшить само количество лекарственного препарата, которое необходимо принимать пациенту, ведь теперь абсолютно весь его объем будет идти по назначению.
«При создании гибридных наноструктур для биомедицинских приложений очень важны междисциплинарные исследования. Потому что физик может сформировать наноструктуры, доставить их в клетки, но понять, как клетка реагирует на препарат, – это уже задача биолога. Точно так же биолог не сможет понять, почему наноструктуры в тех или иных условиях ведут себя так, а не иначе. Именно поэтому гибридные наноструктуры так медленно входят в медицинскую практику: мы сталкиваемся с ситуацией, когда сложные с физико-химической точки зрения наноструктуры внедряются в еще более сложные живые системы», – прокомментировала руководитель лаборатории «Гибридные наноструктуры для биомедицины» Анна Орлова.
Таким образом, лаборатория в рамках проекта DigiTwins будет работать именно в области создания новых медицинских препаратов. Уже сейчас в лаборатории есть разработки по использованию ярко люминесцирующих квантовых точек на основе сульфида и селенида цинка, которые не содержат тяжелых металлов, для фотодинамической тераностики. Этот метод лечения используется для целевого уничтожения раковых клеток в организме. Сначала в организм вводятся светочувствительные вещества, которые имеют свойство накапливаться в опухолях. Затем на эти вещества светят светом определенной длины волны, который также может безвредно проникать сквозь живые ткани. Под воздействием излучения в веществах начинается фотохимическая реакция, в результате которой образуется синглетный кислород, который разрушает раковую клетку.
Также в лаборатории работают с наночастицами диоксида титана, с помощью которых планируется разработать методику уничтожения патогенных бактерий в организме. Третье направление работы ученых – это создание сенсоров, которые могут реагировать на присутствие ионов тяжелых металлов в растворах. Очевидное применение этих разработок пока есть в экологии, однако в будущем могут появиться и и медицинские приложения. Кроме этого, сейчас в лаборатории разрабатываются новые мультимодальные наноплатформы на основе различных наноструктурированных материалов, включая суперпарамагнитные наночастицы, ярко люминесцирующие квантовые нанокристаллы и генераторы активных форм кислорода для ранней тераностики различного типа карцином и бактериальных инфекций.
Что участие Университета ИТМО в DigiTwins даст студентам
Одно из дополнительных направлений работы проекта DigiTwins – это образовательная деятельность. Так как в инициативе участвует много университетов, это открывает для их студентов и аспирантов возможность заниматься исследованиями по задачам проекта, а также стажироваться в других вузах-участниках проекта. Если говорить конкретно про Университет ИТМО, то, например, летом этого года начинается набор на образовательную программу «Физика наноструктур» и у студентов будет возможность выбора образовательной траектории «Гибридные наноструктуры для биомедицинских приложений», в рамках которой студенты будут заниматься междисциплинарными исследованиями на стыке физики и биологии по темам работы одноименной лаборатории.
«Поскольку работа в лаборатории будет совмещена с образованием, наши студенты и аспиранты станут основными участниками разработок для проекта DigiTwins. Это позволит им вовлекаться в решение реальных задач, обучаться работе на уникальном оборудовании, набираться опыта в ходе программ академической мобильности. Самое главное – это инициативность со стороны самих обучающихся», – сказала Анна Орлова.
Окончательные результаты отбора проектов для FET станут известны уже осенью.
