Виртуальное анатомическое пособие

Микропроцессоры позволят врачам лучше узнать человеческий организм Он дышит, он из плоти и крови. Его можно ранить, с него можно снять покровы и расчленить. Он манекен, подопытный кролик и доброволец для испытания лекарств в одном лице. Вскоре можно будет проводить медицинские эксперименты на "живой кукле", не рискуя попасть за решетку, не причиняя никому ни толики страданий и не мучаясь угрызениями совести. Так говорит доктор Марко Вицеконти из Rizzoli Orthopaedic Institute в Болонье.

Способы тестирования, которыми мы в настоящее время располагаем, проводятся на трупах, животных и людях, что вызывает споры об их этичности и приемлемости. На этой неделе доктор Вицеконти и сотни экспертов со всего мира собрались в Брюсселе, чтобы обсудить проект по созданию виртуального физиологического человека (virtual physiological human – VPH), который должен объединить усилия по компьютерному моделированию работы органов человека и созданию виртуального тела.

Ученые мечтают, что в один прекрасный день их усилия приведут к созданию компьютерной модели, в жилах которой будет течь такая же кровь, как и у нас. Она будет обладать теми же свойствами свертываемости, с соответствующим движением лейкоцитов к поврежденному месту. Биохимические реакции стресса будут происходить с выделением гормонов. На виртуальном человеке можно испытывать лекарства против образования рубцов, ожогов и заживляющие средства. Его можно расчленять и исследовать в таких подробностях, какие раньше и представить себе было нельзя: увидеть расширение кровеносных сосудов, ток крови и хлопанье поврежденного сердечного клапана. Программное обеспечение виртуальной реальности позволит ученым совершить прогулку по его органам изнутри, пуститься в фантастическое путешествие по отдельной клетке, рассмотреть ее "энергетические станции" - митохондрии или экспериментально менять молекулы местами. Можно будет даже увидеть, как кровь меняет цвет, проходя через легкие.

Хотя невозможно создать настоящую виртуальную модель человека – начиная от генов и белков внутри клетки и заканчивая телесной системой в целом, доктор Вицеконти полагает, что даже частичное воплощение поможет научным исследованиям. Врачам необходимо такое компьютерное анимированное существо, потому что пока они мало знают о мириадах взаимодействий и зависимостей, которые происходят в нашем организме: как кровь, поступающая к месту перелома, влияет на скорость срастания кости, как на работу сердца влияет выраженность некоторых генов и каким образом на физическую активность и гормональный баланс влияют излишний вес или остеопороз.

Традиционный способ изучения человеческого тела предполагает сведение его к более простым элементам. Ученые охотятся за десятками тысяч генов и их вариантами, которые образуют еще большее количество белковых составляющих, изучают сердце и сердечно-сосудистую систему «в отрыве» от мышц и костей, рассматривают мышечные сокращения отдельно от генов в мышцах и так далее. Короче говоря, они рисуют грубую карикатуру на то, как работают различные части тела.

Благодаря развитию современных компьютерных технологий и поразительным достижениям клеточной биологии мы можем собрать Шалтая-Болтая из тысячи кусочков. Виртуальные органы обретают форму внутри микропроцессоров по всему миру. Хоть это и звучит дико футуристически, у VPH уже бьется сердце. Оно разработано начиная от отдельных клеток до его четырех отделений. За это нужно сказать спасибо профессору Денису Ноблу из Оксфордского университета, который положил начало данным разработкам двумя статьями, описывающими первые математические модели клеток сердца. Они были опубликованы в 1960 году в журнале Nature.

Все процессы – электрические, химические, механические, – связанные с сокращением сердечной мышцы, были сравнительно хорошо изучены к 1980-м годам, когда профессор Нобл создал компьютерную модель живой сердечной клетки совместно с Дарио ди Франческо из Милана. Для этого они написали программу, основанную на математической модели, которая отражает ключевые химические процессы в клетке. Среди них самыми важными являются каналы, по которым проводятся электрические импульсы от клеток и к ним. Проводники сигналов - специальные белки, которые переносят атомы с электрическим зарядом, называемые ионами. Наибольшее значение имеет кальциевый канал, который переводит «аккумулятор энергии» - молекулы ATФ - через сложную цепочку процессов в биение сердца.

20 лет назад компьютеры требовали очень много времени, чтобы имитировать движение даже отдельной клетки: компьютер Нобла затрачивал около 100 секунд на воссоздание одной секунды сердечной деятельности. В 1993 году Нобл стал работать совместно с профессором Рэймондом Уинслоу из Университета Джона Хопкинса и биоинженером Питером Хантером из Университета Окленда, чтобы представить настоящее виртуальное сердце. Команда Kiwi миллиметр за миллиметром исследовала устройство сердца, измеряя и моделируя расположение мышечных волокон каждого слоя. Все это воспроизводилось на мощном компьютере. Теперь миллиарды клеток отражаются в миллиардах точек системы координат на кремниевом кристалле, так что виртуальное сердце может обрабатывать виртуальные глюкозу и кислород.

«Что касается воссоздания сердечного приступа, то это вполне реально, - говорит Нобл. – Мы подозреваем, что смоделировали только около 2% генов и белков, вовлеченных в этот процесс, так что за нами еще 98%». Работы еще хоть отбавляй, но тем не менее уже сделаны важные открытия.

Когда компания "Хоффман-Ла Рош" проводила клинические испытания своего препарата Posicor (мибефрадил) в 1997 году, на электрокардиограммах некоторых подопытных появился всплеск. Нобл «скормил» это вещество своему виртуальному сердцу, и с ним произошло то же самое. Поэтому профессор согласился с благотворным эффектом препарата. Его объяснение было принято, а лекарство - одобрено. Но новые клинические данные показали, что мибефрадил снижает активность ферментов печени. Мораль проста: модели органов полезны, но если бы Нобл в своих опытах связал созданное им сердце с искусственной печенью, он смог бы это предвидеть.

10 лет назад Нобл участвовал в создании компании Physiome Sciences, которая позже стала называться EPIX Pharmaceuticals. Она занималась моделированием человеческих органов и клеток для фармацевтической индустрии. К процессу воссоздания человеческих органов присоединились и другие ученые. Координируемый французами международный проект Renal Physiome Project в настоящее время занимается разработкой виртуальной почки. Проект Giome, возглавляемый Дейнсом, пытается воспроизвести пищеварительную систему. А проект Living Human Project, руководимый доктором Вицеконти, должен создать виртуальную копию мускулов и скелета, которые придадут форму виртуальному телу.

Американская компания Entelos даже разрабатывает простых «виртуальных пациентов», чтобы отследить влияние лекарств на ряд жизненно важных систем организма - от печени до мочевого пузыря. Но возможностей ученых пока не хватает, чтобы сымитировать мозг. Испанская ассоциация Aneurist моделирует систему кровообращения мозга, чтобы выяснить, какие аневризмы его артерий операбельны. Но ученые пока на расстоянии многих световых лет от того, чтобы повторить самый сложный объект во Вселенной, поражающий воображение своей замысловатостью.

Проект VPH опирается на компьютерную инфраструктуру следующего поколения - глобальную информационную базу данных о мировых ресурсах (Grid). По словам профессора Питера Ковни из лондонского University College, она позволит людям воспользоваться возможностями мощнейших компьютеров так же легко, как вилкой, втыкаемой в розетку. В случае с виртуальным пациентом база данных поможет разбросанным повсюду лабораториям взаимодействовать и подпитывать свои компьютерные модели клиническими данными, изображениями, результатами анализов и лабораторными наблюдениями, собранными в больницах и исследовательских институтах по всей Европе. Они позволят протестировать компьютерные модели органов и всего тела, чтобы довести их до совершенства. Таким образом, говорит Вицеконти, «технология XXI века воплотит мечту о подлинной холистической медицине, которая рассматривает человеческое тело в его целостности и уникальности».

07.11.2006 / РОДЖЕР ХАЙФИЛД Материал опубликован в "Газете" №204 от 08.11.2006г.