Post Syndicated from original https://www.toest.bg/izkustveniyat-intelekt-i-personaliziranata-meditsina/

Изкуственият интелект (ИИ) използва сложни изчисления, позволяващи на системата да разсъждава, да се учи и да стига до определени изводи, които са от полза на лекарите при вземане на решения. Служейки си с информация като медицински изображения, биомаркери, медицински данни на пациенти и използвайки инструменти като конволюционни невронни мрежи* и регресионни модели, той има за цел да създаде персонализации, адаптирани към всеки пациент, с приложение в реалната клинична практика.

Въпреки че ИИ има голям потенциал в областта на медицината, етичната сложност на приложението му изисква допълнителни анализи и доказателства за медицинската му ефикасност и икономическата му стойност, както и създаването на мултидисциплинарни методи за по-широкото му внедряване в клиничната практика.

Персонализирана медицина

Персонализираната медицина е медицински модел, който има за цел да предостави специално разработени стратегии за превенция и лечение. Съветът на здравните министри на ЕС дефинира персонализираната медицина като

медицински модел, използващ характеризиране на фенотипове и генотипове на индивиди (чрез молекулярно профилиране, медицински изображения, информация за начина на живот и др.) за избор на терапевтична стратегия при конкретен пациент в определен период от живота му, за определяне на предразположеност към дадено заболяване, за навременна и целенасочена профилактика.

Персонализираната медицина все още се развива и пред нея стоят много предизвикателства преди пълното ѝ приложение в системите за здравеопазване. Новите генетични технологии, обобщавани с термина „омик“ технологии, позволяват на учените да използват генетичната информация на пациентите, за да определят по-добре правилното лекарство, доза и период на прием. Използването на тези технологии ни доближава по-близо до персонализираната медицина.

Изкуствен интелект

През 1956 г. Джон Маккарти въвежда термина „изкуствен интелект“ на конференция, посветена на компютърните науки в колежа „Дартмут“. По-късно същата година Алън Нюел, Дж. К. Шоу и Хърбърт Саймън създават Logic Theorist, първата работеща софтуерна програма за ИИ.

В най-простата си форма ИИ е област, която съчетава компютърни науки и огромен набор от данни, за да даде възможност за решаване на проблеми. Той също така обхваща част от машинното обучение и дълбокото обучение (machine learning, deep learning), споменавани често, когато става въпрос за ИИ. Тези дисциплини са изградени от ИИ алгоритми, които създават системи, правещи прогнози или класификации въз основа на входирани данни.

Приложение на изкуствения интелект в медицината

В момента ИИ в медицинските среди се използва основно за анализ на изображения от медицински изследвания. Стандартите за използването на ИИ в медицината все още са в процес на дефиниране. Възможността ИИ да бъде от по-значима полза за лекарите, изследователите и пациентите нараства експоненциално. В бъдеще той ще е основна част от цифровите здравни системи, които ще формират и поддържат съвременната медицина.

Моделите на машинно обучение може да се използват за наблюдение на жизнените показатели на пациенти. Докато медицинските устройства от типа на сърдечните монитори проследяват жизнените показатели, ИИ може да събира данните от тези устройства и да извършва анализ с цел търсене на заболявания. Изследванията показват, че ИИ, захранван от изкуствени невронни мрежи, може да бъде също толкова ефективен, колкото лекарите при откриване на симптоми например на рак на гърдата.

Първоначалното синтезиране на лекарства често е един от най-дългите и най-скъпи етапи при разработването на лекарствени продукти. Тук ИИ може да помогне за намаляване на разходите основно по два начина: създаване на по-добър дизайн на лекарства и откриване на нови комбинации от лекарствени препарати.

Къде се срещат ИИ и персонализираната медицина?

Геномиката, биотехнологиите и ИИ поставят отделния пациент в центъра на избора на лечение, създават големи бази данни за анализ и са основата на прецизната медицина. 

Падането на цената на секвениране на генома, усъвършенстването на биотехнологиите и навлизането на приложенията за смартфони, които проследяват здравето ни, водят до редица предизвикателства в съвременната медицина, свързани с необходимост от допълнително обучение на медицинския персонал и невъзможност за обработване на огромното количество данни. В ролята на помощници влизат алгоритмите за задълбочено обучение, които за кратко време анализират и интерпретират т.нар. big data.

През последните години няколко компании работят по въвеждането на ИИ в медицината. Google има изследователски клон, свързан с ИИ, който работи по проекта DeepMind Health. Идеята е да се събират и анализират данни от медицински досиета, за да се подобрят медицинските услуги. Google участва и в съвместен проект с фондацията на клиниката по очни болести Moorfields NHS Foundation Trust. Moorfields споделят с DeepMind един милион анонимни резултата от изследвания с очен скенер, придружени с информация за здравословното състояние на очите на пациентите и наличието на очни заболявания.

IBM работят по програмата Medical Sieve, насочена към радиологията и кардиологията. Идеята им е в бъдеще радиолозите да разглеждат само най-комплексните случаи, при които е необходимо човешко наблюдение. Компанията Deep Genomics работи върху търсенето на модели в големи бази данни от генетична информация и медицински досиета. Целта е установяване на мутации и връзката им с определени заболявания.

Въпреки ползите от внедряването на ИИ в персонализираната медицина, алгоритмите може да не са достатъчно ефективни при поява на нови, неописани странични ефекти от лекарства или новоустановена резистентност към дадено лечение. Изкуственият интелект трябва да е средство за помощ на лекаря, а не е предназначен да замени традиционната връзка лекар–пациент. Отменяйки лекаря в някои рутинни, повтарящи се моменти от работата, ИИ би могъл да предостави възможност на медиците да обръщат по-задълбочено внимание на пациентите си, което безспорно ще подобри връзката помежду им. Подобни задачи може да се делегират на ИИ само при условие че остане безопасен, регулиран и достатъчно ефикасен като средство за усъвършенстване на здравеопазването.

Етична рамка при използването на ИИ в медицината

Повдигат се редица етични въпроси, свързани със събирането и обработката на данни на пациентите в една система на здравеопазване, която теоретично би могла да се управлява от ИИ. Как ще се гарантират поверителността и сигурността на информацията? Пациентите трябва да са информирани как ще бъдат използвани техните данни от ИИ приложения, и е редно да им се предостави възможност за отказ.

От друга страна, нужно е работещите в здравеопазването да са добре запознати с новите отговорности, които биха носили при възникване на грешки в процесите на съхраняване и споделяне на данни, получени чрез ИИ. Освен това здравните специалисти трябва да оценяват критично препоръките, дадени от инструментите с ИИ. И не на последно място, медиците следва да бъдат откровени с пациентите си относно използването му в здравеопазването.

В САЩ съществува закон за преносимост и отчетност на здравното осигуряване, който определя стандарти за поверителност и сигурност на здравните данни на пациентите. Американската администрация по храните и лекарствата също има свой набор от разпоредби, осигуряващи регулация на начина, по който софтуер, включително приложения с ИИ, се използва в здравеопазването. Европейският съюз е въвел Общ регламент за защита на данните (GDPR), включващ правила за обработката на данни на пациенти с инструментите на ИИ.

Индивидуален vs. популационен подход

Напредъкът на персонализираната медицина заедно с навлизането на ИИ в здравеопазването цели внедряване на индивидуален подход за контрол на заболявания в замяна на настоящия популационен подход. Персонализираната медицина, ИИ и подробната информация за болестните състояния представляват значителен шанс за намаляване на разходите при използването на универсален подход в общественото здраве.

Предимствата, които са предоставени от ИИ моделите за анализиране на обширна, сложна биомедицинска информация, имат огромен потенциал за ускоряване на израстването и развитието на генетичната медицина. Въпреки това трябва да бъдат преодолени многобройни препятствия, в случай че ИИ оправдае високите очаквания за революция в геномната медицина.

---

* Конволюционна невронна мрежа – мрежова архитектура за deep learning, която се учи директно от данни, като се премахва необходимостта от ръчно извличане на функции.

Post Syndicated from original https://www.toest.bg/shte-razchitame-li-na-gennomodifitsirani-organi/

Трансплантацията на органи е едно от най-значимите постижения в историята на медицината и често е единственият източник на надежда за пациентите, страдащи от органна недостатъчност.

Присадка, трансплантирана в тялото на същия индивид, се нарича автоложна трансплантация. Например кожа от една част на тялото на пациента се присажда в друга част. Друг пример е съхранението на стволови клетки преди химио- или лъчетерапия. След терапията хемопоетичните (кръвообразуващите) стволови клетки се връщат в тялото на пациента.

Присадка, трансплантирана от един генетично идентичен индивид в друг (еднояйчни близнаци), се нарича сингенна трансплантация. Първата успешна органна трансплантация е сингенна трансплантация на бъбрек през 1954 г. Автоложната и сингенната трансплантация не водят до имунологични усложнения. Трансплантация на присадка между два генетично различни индивида от един и същи вид се нарича алогенна, а между два различни биологични вида – ксеногенна.

Кои човешки органи могат да бъдат присадени? Здравото сърце от донор с мозъчна смърт (т.нар. трупен донор) се използва за замяна на увреденото сърце на пациент. Един бял дроб или и двата от трупен донор могат да заменят част или целите бели дробове на нуждаещ се човек. „Болният“ черен дроб на пациент се заменя с част от черен дроб на здрав човек. Донорският черен дроб може да бъде от трупен донор или от член на семейството, който реши да дари част от своя. Трансплантация на панкреас най-често се извършва при пациенти с диабет тип 1, при които функциите на органа са нарушени.

Трансплантация на роговицата на окото позволява възстановяването на зрението при пациенти, които са го загубили заради очно заболяване. Повредена или помътняла роговица може хирургически да се замени със здрава донорска. Трансплантация на трахея (хрущялната тръба от ларинкса до бронхите и белите дробове) се прави при пациенти, които страдат от втвърдяване и стесняване на трахеята. Трансплантация на бъбреци може да се извърши както от трупен донор, така и от жив човек.

Трансплантацията на кожа е ефективно лечение за пациенти с тежки изгаряния. Тя позволява раните да заздравеят, докато пациентът все още не е готов за трансплантация на част от собствената му кожа. Трансплантация на васкуларна тъкан се прави при пациенти с тежки сърдечносъдови заболявания. Васкуларната тъкан може да се трансплантира до 24 часа след настъпването на смъртта на трупния донор.

Кратка история на междувидовата органна трансплантация

Идеята за междувидова трансплантация (ксенотрансплантация) не е нова. Тя осигурява достъп до неизчерпаемо количество органи и клетки и разрешава проблема с дългия списък от пациенти, чакащи за трансплантация. В периода XVII–XX век кръвни продукти с животински произход са вливани на хора с различни патологични състояния. През XIX век се е извършвало присаждане на кожа най-често от жаби.

През 1920 г. френският хирург от руски произход Серж Воронов предлага трансплантирането на части от тестиси на шимпанзета в същите органи на възрастни мъже, като е вярвал, че хормоните от присадката ще подмладят неговите пациенти. През XX век, след като д-р Алексис Карел разработва техниката за анастомоза на кръвоносни съдове, са направени редица опити за трансплантация от видове маймуни, които не са човекоподобни. През 1963–1964 г., когато диализата все още не се е използвала, д-р Кийт Римтсма трансплантира бъбреци от шимпанзета на 13 пациенти. Един от пациентите се връща на работа след 9 месеца, но умира внезапно (тогава се предполага, че причината е електролитен дисбаланс).

Първата сърдечна трансплантация при човек е извършена през 1964 г. от д-р Джеймс Харди. Той използва сърце от шимпанзе, но пациентът умира след 2 часа. През 1966 г. д-р Томас Старзъл прави първата чернодробна трансплантация от шимпанзе, а през 1992-ра негов пациент оцелява 70 дни след чернодробна ксенотрансплантация от павиан.

Избор на ксенотрансплант и необходимостта от генно модифициране на органите

С развитието на генното инженерство започва да се изследва потенциалната роля на органите от прасета за трансплантация при хора, но след провеждане на определени манипулации, които предпазват техните тъкани от имунната система на човека. Все пак защо прасето е предпочитаният вид, при условие че човекоподобните маймуни са по-близки генетично и размерът и структурата на техните органи имат по-голямо сходство с човешките? На първо място, шимпанзетата, които най-много се доближават до човека, са застрашен от изчезване вид и евентуалното им използване би породило етични въпроси, част от които така или иначе са налице при ксенотрансплантацията.

От друга страна, най-многобройният вид нечовекоподобни маймуни – павианите, са малки по-размер и сърцето им не е подходящо за трансплантация при възрастни хора, въпреки че бъбреците и черният дроб биха могли да се използват. И все пак павианите не са подходящи, тъй като са носители на редица потенциално патогенни микроорганизми, а осигуряването на маймуни, които не са носители на такива, би било бавен и скъп процес. За разлика от тях, прасетата са опитомени животни с подходящ размер и може да се отглеждат здрави (да не са носители на патогени) в голям брой.

Следва въпросът как да се превъзмогне имунологичният проблем – възникването на свръхостра реакция на отхвърляне на присадката. Тя се дължи на свързването на антитела (серумни гликопротеини, които се образуват след проникване на антиген в организма и могат специфично да се свързват с него) от човешкото тяло към ендотела на присадката, последвано от активирането на системата на комплемента (редица малки протеини в кръвта, които допълват антителата и спомагат за унищожаването на патогените в организма).

За да разрешат този проблем, учените се фокусират главно върху присадката на донора, а не върху реципиента. Създадени са трансгенни прасета с определени генетични промени, имащи за цел да инхибират активацията на комплемента. Преди да се премине към опити за трансплантиране на органи от прасета в тялото на хора, маймуните са използвани като моделни животни, при които се изследва възможността за предотвратяването на свръхостра реакция на отхвърляне на съответния трансплантиран орган от прасе.

Първата трансплантация на генномодифицирано сърце от прасе на човек

Първата в света трансплантация на сърце от прасе на човек е проведена в Университетската болница в Мериленд (Балтимор, САЩ). На 57-годишен мъж в последен стадий на сърдечна болест е направена успешна трансплантация на генномодифицирано сърце от прасе. След тази експериментална операция пациентът е имал възможност да се движи свободно без помощта на кардиопулмонален байпас (машина, която временно поема функциите на сърцето и белите дробове).

С тази историческа операция е преодоляна най-неразрешимата пречка – свръхострата имунна реакция на отхвърляне на присадката. Постигнат е добър, но краткотраен резултат, тъй като състоянието на пациента се влошава и той умира на 9 март 2022 г., два месеца след сърдечната трансплантация.

Сърцето на прасето преминава през цели десет генетични модификации. Изключени са три гена, свързани с имунно отхвърляне и са добавени шест човешки гена и един ген за инактивиране на растежа с цел контрол на размера на сърцето. Елиминирането на ксеноантигени с генно инженерство е подход, с който се понижава имунният отговор на отхвърляне. След като тези гени са изключени, прасетата остават здрави и голяма част от клетките на присадката не могат да провокират имунен отговор след контакт с човешките имунни клетки.

В друга група генномодифицирани клетки от прасета, които остават имунореактивни към човешките клетки, имунните отговори са предизвикани от левкоцитните антигени от клас I при прасетата (SLA), еквивалентни на човешките левкоцитни антигени от клас I (HLA). Изтриването на тези SLA гени може да подобри толеранса на реципиента към органите от прасетата. Друг подход за минимизиране на отхвърлянето на присадката е генното модифициране на компонентите на комплемента и гените, отговорни за съсирването на кръвта.

Направени са опити за въвеждане на генномодифицирани човешки гени, участващи в коагулацията в клетките на прасета, което води до по-продължително оцеляване на присадката. Генното инженерство не спира дотук. Друг проблем е системният възпалителен отговор при реципиента, който може да се преодолее с генетично модифициране на човешките антивъзпалителни гени и въвеждането им в клетките на органите на прасетата.

Освен споменатата възможност за пренасяне на патогенни бактерии и вируси, съществува интересен феномен както при хората, така и при прасетата. В генома на всяка човешка клетка има гени, кодиращи човешки ендогенни вируси (HERV). Смята се, че те нямат патогенен ефект и нямат роля в развитието на заболявания при човека. По подобен начин в генома на прасетата участват свински ендогенни ретровируси (PERV), които също не са свързани с развитието на заболявания при прасетата.

Повод за притеснение е неизясненият въпрос дали трансферът на PERV при човека може да бъде патогенен, или рекомбинацията между PERV и HERV може да доведе до възникването на нов вирус с патогенен характер. В момента мнението на учените е, че PERV най-вероятно не са патогенни за човека, но е по-добре да се предотврати активирането на тези гени.

Етични проблеми

Използването на животни като източник на органи не се възприема от активистите за правата на животните, които отчитат, че те са интелигентни, чувствителни и способни да изпитват болка. Въпреки че някои религиозни традиции, като юдейската и мюсюлманската, забраняват консумацията на продукти от свинско месо, и в тези общности се намират гласове в подкрепа на трансплантацията на органи от прасета с аргумента, че целта е запазването на човешки живот.

Дори ако органите от прасетата са в изобилие, етичните проблеми няма да бъдат разрешени. Например цената на една трансплантация може да стане много по-висока от сегашната и потенциалните реципиенти ще бъдат основно финансово заможни хора. Това се смята за несправедливо предимство пред тези, които не са в състояние да си позволят процедурата. Здравноосигурителните компании също може да не желаят да платят високите разходи.

Бъдещето на трансплантациите

Алтернативите за решаване на недостига на човешки органи от трупни донори включват подходите на регенеративна медицина, както и използването на стволови клетки. Нито един от тези подходи все още не е достигнал етапа на клинично изпитване, затова и ксенотрансплантацията е на преден план. Механичните помощни устройства за поддържане или заместване на болно сърце всъщност са в много по-напреднал етап на развитие от ксенотрансплантацията. И все пак биологичното човешко сърце продължава да има най-много предимства пред всички останали варианти.

Заглавно изображение: Органна трансплантация. Източник: Vecteezy.com Miguel Angel