Меткие выстрелы в болезни

Мы ищем эффективное лекарство и вакцину от коронавируса и его заражения. На данный момент у нас нет препаратов с доказанной эффективностью. Однако есть и другой способ борьбы с болезнями, больше связанный с миром технологий, чем с биологией и медициной…

В 1998 г., т.е. в то время, когда американский исследователь, Кевин Трейси (1), проводил свои эксперименты на крысах, не было замечено никакой связи между блуждающим нервом и иммунной системой в организме. Такое сочетание считалось практически невозможным.

Но Трейси была уверена в существовании. Он подключил ручной стимулятор электрических импульсов к нерву животного и обработал его повторными «уколами». Затем он дал крысе TNF (фактор некроза опухоли), белок, связанный с воспалением, как у животных, так и у людей. Животное должно было стать остро воспаленным в течение часа, но при осмотре было обнаружено, что ФНО заблокирован на 75%.

Оказалось, что нервная система выступала в роли компьютерного терминала, с помощью которого можно либо предотвратить заражение еще до того, как оно начнется, либо остановить его развитие.

Правильно запрограммированные электрические импульсы, воздействующие на нервную систему, могут заменить воздействие дорогих лекарств, небезразличных для здоровья пациента.

Дистанционное управление телом

Это открытие открыло новую ветвь под названием биоэлектроника, которая ищет все более и более миниатюрные технические решения для стимуляции тела, чтобы вызвать тщательно спланированные реакции. Техника все еще находится в зачаточном состоянии. Кроме того, существуют серьезные опасения по поводу безопасности электронных схем. Однако по сравнению с фармацевтическими препаратами он имеет огромные преимущества.

В мае 2014 года Трейси сообщила New York Times, что биоэлектронные технологии могут успешно заменить фармацевтическую промышленность и часто повторял это в последние годы.

Основанная им компания SetPoint Medical (2) впервые применила новую терапию в группе из двенадцати добровольцев из Боснии и Герцеговины два года назад. В их шею имплантировали крошечные стимуляторы блуждающего нерва, излучающие электрические сигналы. У восьми человек испытание прошло успешно — утихли острые боли, нормализовался уровень провоспалительных белков, и, самое главное, новый метод не вызвал серьезных побочных эффектов. Он снижал уровень ФНО примерно на 80%, не устраняя его полностью, как в случае с фармакотерапией.

2. Биоэлектронзный чип SetPoint Medical

После многих лет лабораторных исследований в 2011 году компания SetPoint Medical, в которую инвестировала фармацевтическая компания GlaxoSmithKline, начала клинические испытания имплантатов, стимулирующих нервы, для борьбы с болезнями. У двух третей пациентов в исследовании, у которых были имплантаты длиной более 19 см в шее, соединенные с блуждающим нервом, наблюдалось улучшение, уменьшение боли и отека. Ученые говорят, что это только начало, и у них есть планы лечить их путем электрической стимуляции других заболеваний, таких как астма, диабет, эпилепсия, бесплодие, ожирение и даже рак. Конечно, также такие инфекции, как COVID-XNUMX.

Как концепция, биоэлектроника проста. Короче говоря, он передает сигналы нервной системе, которые приказывают телу восстановиться.

Однако, как всегда, проблема заключается в деталях, например, в правильной интерпретации и перевод электрического языка нервной системы. Безопасность — еще одна проблема. Ведь речь идет об электронных устройствах, соединенных беспроводным способом в сеть (3), а значит – .

Как он говорит Ананд Рагунатан, профессор электротехники и вычислительной техники Университета Пердью, биоэлектроника «дает мне дистанционное управление чьим-то телом». Это тоже серьезное испытание миниатюризация, включая методы эффективного соединения с сетями нейронов, которые позволили бы получить соответствующие объемы данных.

3. Мозговые имплантаты, которые общаются по беспроводной сети

Биоэлектронику не следует путать с биокибернетика (то есть биологической кибернетики), ни с бионикой (которая возникла из биокибернетики). Это отдельные научные дисциплины. Их общим знаменателем является ссылка на биологические и технические знания.

Споры о хороших оптически активированных вирусах

Сегодня ученые создают имплантаты, которые могут напрямую связываться с нервной системой, пытаясь бороться с различными проблемами со здоровьем, от рака до обычной простуды.

Если бы исследователи добились успеха и биоэлектроника получила широкое распространение, миллионы людей однажды смогли бы ходить с компьютерами, подключенными к их нервной системе.

В сфере мечтаний, но не совсем нереалистичных, есть, например, системы раннего предупреждения, которые с помощью электрических сигналов моментально обнаруживают «посещение» такого коронавируса в организме и направляют на него оружие (фармакологическое или даже наноэлектронное). агрессор, пока не атакует всю систему.

Исследователи изо всех сил пытаются найти метод, который будет понимать сигналы от сотен тысяч нейронов одновременно. Точная регистрация и анализ необходимы для биоэлектроникичтобы ученые могли выявить несоответствия между основными нейронными сигналами у здоровых людей и сигналами, производимыми человеком с определенным заболеванием.

Традиционный подход к регистрации нейронных сигналов заключается в использовании крошечных зондов с электродами внутри, называемых. Исследователь рака предстательной железы, например, может прикрепить зажимы к нерву, связанному с предстательной железой, у здоровой мыши и записать активность. То же самое можно было бы сделать с существом, чья простата была генетически модифицирована для производства злокачественных опухолей. Сравнение исходных данных обоих методов позволит определить, насколько различаются нервные сигналы у мышей с раком. На основе таких данных можно было бы в свою очередь запрограммировать корректирующий сигнал в биоэлектронное устройство для лечения рака.

Но у них есть недостатки. Они могут выбирать только одну ячейку за раз, поэтому они не собирают достаточно данных, чтобы увидеть общую картину. Как он говорит Адам Э. Коэн, профессор химии и физики в Гарварде, «это все равно, что пытаться увидеть оперу через соломинку».

Коэн, эксперт в развивающейся области под названием оптогенетика, считает, что может преодолеть ограничения внешних исправлений. Его исследование пытается использовать оптогенетику для расшифровки нейронного языка болезни. Проблема в том, что нейронная активность исходит не от голосов отдельных нейронов, а от целого оркестра их действующих по отношению друг к другу. Просмотр по одному не дает вам целостного представления.

Оптогенетика началась в 90-х годах, когда ученые знали, что белки, называемые опсинами, в бактериях и водорослях генерируют электричество при воздействии света. Оптогенетика использует этот механизм.

Гены опсинов встраиваются в ДНК безвредного вируса, который затем вводится в мозг или периферический нерв испытуемого. Изменяя генетическую последовательность вируса, исследователи нацелены на определенные нейроны, например те, которые отвечают за чувство холода или боли, или области мозга, которые, как известно, отвечают за определенные действия или поведение.

Затем через кожу или череп вводят оптическое волокно, которое от своего кончика пропускает свет — к тому месту, где находится вирус. Свет оптического волокна активирует опсин, который, в свою очередь, проводит электрический заряд, заставляющий нейрон «загораться» (4). Таким образом, ученые могут управлять реакциями организма мышей, вызывая сон и агрессию по команде.

4. Нейрон, управляемый светом

Но прежде чем использовать опсины и оптогенетику для активации нейронов, участвующих в определенных заболеваниях, специалистам необходимо определить не только, какие нейроны ответственны за болезнь, но и то, как болезнь взаимодействует с нервной системой.

Как и компьютеры, нейроны говорят бинарный язык, со словарем, основанным на том, включен или выключен их сигнал. Порядок, временные интервалы и интенсивность этих изменений определяют способ передачи информации. Однако, если можно считать, что какое-либо заболевание говорит на своем языке, переводчик необходим.

Коэн и его коллеги чувствовали, что оптогенетика справится с этим. Поэтому они разработали процесс в обратном порядке — вместо того, чтобы использовать свет для активации нейронов, они используют свет для записи их активности.

Опсины могут быть способом лечения всех видов болезней, но ученым, скорее всего, потребуется разработать биоэлектронные устройства, которые не будут их использовать. Использование генетически модифицированных вирусов станет неприемлемым для властей и общества. Кроме того, метод опсина основан на генной терапии, которая еще не добилась убедительных успехов в клинических испытаниях, является очень дорогостоящей и, по-видимому, сопряжена с серьезными рисками для здоровья.

Коэн упоминает две альтернативы. Один из них связан с молекулами, которые ведут себя как опсины. Второй использует РНК для преобразования в опсин-подобный белок, поскольку он не изменяет ДНК, поэтому нет рисков генной терапии. И все же основная проблема обеспечение света на участке. Существуют конструкции мозговых имплантатов со встроенным лазером, но Коэн, например, считает более целесообразным использование внешних источников света.

В долгосрочной перспективе биоэлектроника (5) обещает комплексное решение всех проблем со здоровьем, с которыми сталкивается человечество. На данный момент это очень экспериментальная область.

Однако, бесспорно, очень интересно.