«Цифра» против «короны»: как технологии помогают в борьбе с пандемией

Еще в начале весны казалось, что от коронавируса нет защиты: мол, вся надежда на иммунитет заболевшего. Но за несколько месяцев появился целый ряд вакцин и методов лечения, а также высокотехнологичных решений для работы с пациентами. По совокупности ковид-разработки тянут на серьезное достижение – во всяком случае, никогда раньше человечество так быстро не находило ответ на вызовы эпидемии.

«Профиль» разобрался, как далеко продвинулась научно-техническая мысль в борьбе с COVID-19 и когда в ней ждать настоящего прорыва.

Вакцину ждем осенью

Перспективных вакцин от коронавируса в мире насчитывается более сотни, и они находятся на разных стадиях разработки. Например, Италия только собирается провести клинические испытания осенью, а Германия ищет добровольцев для тестирования. Дальше остальных в поиске панацеи от вируса продвинулись Китай, США и Россия. В этих странах уже проходят клинические испытания на добровольцах. И довольно успешно.

Китайские специалисты заявили о работе над вакциной еще в феврале. Первые месяцы препараты тестировали на животных, после чего наиболее успешные из них были опробованы на людях. К середине мая в КНР испытали пять вакцин-кандидатов – четыре инактивированных и одну на основе аденовирусного вектора – более чем на 2500 добровольцах.

Вторую фазу клинических испытаний Китай планирует завершить к июлю, а выпустить готовую вакцину – к концу года. Власти страны заявили, что, если их вакцина против коронавируса окажется успешной, они выполнят свое международное обещание и сделают ее доступной для всего мира.

В США на щедрость Китая не рассчитывают и разрабатывают собственную вакцину. В конце мая американская компания Moderna заявила о том, что успешно завершила первую фазу клинических испытаний вакцины mRNA-1273. Они проводились при поддержке Национального института аллергии и инфекционных заболеваний США с марта. Сорока пяти добровольцам ввели вакцину, содержащую матричные РНК белков вируса SARS-CoV-2. В Moderna отметили, что вакцина показала себя безопасной и эффективной, так что ее клинические испытания продолжатся.

Помимо Moderna над разработкой вакцины в США работают американская компания Johnson&Johnson и Оксфордский университет. Ведущий инфекционист США Энтони Фаучи заявил, что искомый препарат могут создать уже к ноябрю.

В России в этом году ожидается появление вакцин от трех учреждений – НИЦЭМ имени Н.Ф. Гамалеи (Москва), Института вакцин и сывороток Федерального медико-биологического агентства (Санкт-Петербург) и Научного центра вирусологии и биотехнологии «Вектор» (Новосибирск). Всего же в стране разрабатывают порядка 47 вакцин на 14 платформах. По прогнозам директора НИЦЭМ имени Н.Ф. Гамалеи Александра Гинцбурга, выпуск российской вакцины против коронавируса может начаться уже осенью, а сам процесс прививания населения в лучшем случае займет полгода.

Разработка и тестирование вакцины в обычном режиме, когда миру не угрожает пандемия, могут занять до десятилетия. Так, на создание вакцины против лихорадки Эбола ушло почти шесть лет: работа над ней началась в 2014 году, и лишь в ноябре 2019 года Европейская комиссия одобрила выпуск вакцины Ervebo на рынок. Но в экстремальных условиях страны мобилизуются, чтобы максимально сократить сроки исследований, не нарушая при этом протокол. Например, ученые могут работать на хорошо исследованных ранее платформах, которые они использовали для производства других вакцин. Между тем время, затраченное на разработку, зависит не только от усилий ученых.

«Как люди отличаются друг от друга, так и вирусы. Поэтому одни вакцины можно создать быстро, а на другие уйдут десятилетия. При этом раньше для создания вакцины не было должного оборудования, техники. Сейчас все можно смоделировать на компьютере, взять за основу макет уже существующей антивирусной вакцины. Мы не изобретаем велосипед. Он уже изобретен. Ему можно увеличить скорость, сделать его легче. Инструменты для этого есть», – объяснил «Профилю» руководитель лаборатории вакцинопрофилактики и иммунотерапии аллергических заболеваний НИИ вакцин им. Мечникова, доктор медицинских наук Михаил Костинов.

В поисках лекарства

Пока вакцину не изобрели, ученые пытаются отыскать лекарство среди известных препаратов. Например, какое-то время считалось, что побороть коронавирус помогают препараты против ВИЧ. Ученые установили, что SARS-CoV-2, как и вирус ВИЧ, для проникновения внутрь клетки использует протеазы – ферменты, расщепляющие пептидную связь в белках. На основе этого было сделано предположение, что против коронавируса могут быть эффективны ингибиторы протеазы, блокирующие ее действия, которые есть в лекарствах против ВИЧ.

В конце января 2020 года Минздрав даже включил препараты для ВИЧ-инфицированных в список медикаментов, рекомендуемых для лечения у взрослых коронавирусной инфекции. В том же месяце из-за возникшего ажиотажа спрос на них в российских аптеках вырос в 15 раз. Однако вскоре китайские ученые, проведя полноценные испытания, опровергли гипотезу насчет эффективности такого лекарства.

Ложной оказалась и надежда на препарат от малярии гидроксихлорохин. В конце мая президент США Дональд Трамп сообщал, что принимает его для профилактики коронавирусной инфекции, хотя американский медицинский регулятор (FDA) еще в апреле заявил, что нет никаких доказательств безопасности и эффективности гидроксихлорохина для борьбы с коронавирусом. Трамп перестал принимать лекарство лишь после того, как ВОЗ признала антималярийный препарат опасным для профилактики коронавируса. Впоследствии Национальные институты здравоохранения США (NIH) прекратили клинические испытания препарата.

Споры возникли и вокруг эффективности стероидного препарата дексаметазон. Британские медики провели успешные клинические испытания лекарства, которые ВОЗ уже назвала «научным прорывом». По предварительным данным, применение дексаметазона показало снижение на 30% смертности среди пациентов на ИВЛ и на 20% среди больных, находящихся на кислородной поддержке. Однако эксперты утверждают, что лечение легких форм коронавируса или его профилактика при помощи дексаметазона может нанести вред здоровью, так как стероиды подавляют иммунную систему.

На сегодняшний день один из наиболее проверенных методов лечения коронавируса связан с применением плазмы крови переболевших людей. Этот метод уже применялся в 2002 году против атипичной пневмонии. Его принцип основан на том, что в крови людей, переболевших коронавирусом, сохраняются антитела. Если использовать их в качестве доноров, иммунитет выздоровевших можно распространить на тех, чей организм сам не справляется с выработкой антител.

Еще в феврале об успешном применении этого метода заявляли китайские врачи. А специалисты из американской клиники Мэйо опубликовали предварительные результаты исследования, в котором также подтвердили безопасность использования плазмы переболевших COVID-19. Глава исследовательской группы доктор Майкл Джойнер отметил, что это лишь первый шаг к изучению эффективности переливания крови для борьбы с пандемией, однако он дает повод для оптимизма.

В России попытки лечения пациентов с помощью плазмы крови начались в апреле. К концу месяца Федеральное медико-биологическое агентство объявило сбор доноров крови, а в мае пришли первые результаты. Из 20 пациентов, которым переливали плазму во время испытаний, девять находились в тяжелом состоянии. У восьми из них лечение дало положительный результат. Серьезных побочных эффектов обнаружено не было, а сама болезнь впоследствии протекала гораздо легче, чем до эксперимента. Единственный минус метода заключается в том, что плазмы мало и ее может не хватить на всех тяжелобольных.

Между тем поиски лекарства против коронавируса продолжаются. И в этом ученым помогает искусственный интеллект. Так, отечественная нейросеть биологического стартапа Gero нашла более десяти потенциальных препаратов против коронавируса. Расчеты биологов основывались на том, что возбудитель атипичной пневмонии, близкой к ковиду, создает вирусные частицы в организме человека с помощью фермента COPI. Ученые предположили, что в жизненном цикле возбудителя коронавируса этот фермент играет столь же важную роль. На основе этой гипотезы компьютерная программа проанализировала более тысячи препаратов и подобрала наиболее подходящие.

«Умная» диагностика

Поиск лекарств – не единственное, для чего применяются нейросети в борьбе с эпидемией. При помощи искусственного интеллекта можно значительно ускорить диагностику коронавируса.

Так, полным ходом идет развитие технологий, способных определить степень поражения вирусом легких по КТ-снимкам. В основе таких разработок лежит радиомика – компьютерная технология, сочетающая в себе преимущества методов экспертной визуализации и data science. Изображения анализируются с использованием спектральной декомпозиции волнового поля (разложения его на частотные составляющие). В результате на КТ-снимках отчетливей видны зоны патологических изменений, вызванных вирусом. Нейронная сеть, обученная на базе данных с медицинскими снимками, сравнивает легкие пациента с легкими больного коронавирусом и выделяет очаги поражения, если таковые имеются.

Лидирует в этой области Китай. Система «умной» диагностики коронавируса по снимкам запущена здесь еще в феврале. Технология была разработана стартапом Infervision совместно с одной из больниц Уханя. Впоследствии такую ИИ-систему внедрили более чем в 30 больницах по всей стране. Следом появились и другие, более усовершенствованные системы. Например, нейросеть от китайской компании Imsight Technology способна обрабатывать КТ-снимки порядка 600 человек в день. При этом для проверки каждого медицинского изображения ей требуется всего 10–20 секунд, а точность алгоритма составляет более 99%.

По словам главного операционного директора компании Imsight Сяо Сяна, технология ИИ для обработки КТ-снимков развивается в КНР быстрее, чем в остальном мире, в первую очередь благодаря огромным размерам китайского рынка высоких технологий. Кроме того, в Китае существует самая объемная база данных медицинских снимков, посредством которых и происходит обучение ИИ.

Между тем работа над IT-решениями для распознавания признаков коронавируса идет и в России. Подобную нейросетевую технологию разрабатывает Московский референс-центр лучевой диагностики. Для распознавания признаков пневмонии на КТ-снимках было проведено более 3,8 тысячи тестов алгоритмов компьютерного зрения. По словам директора Научно-практического клинического центра диагностики и телемедицинских технологий Сергея Морозова, точность алгоритма составляет более 90%.

Работает над подобными технологиями в России и частный сектор. Например, компания Care Mentor AI разработала модель компьютерного зрения «Mentor: CovidCT». Компания привлекала экспертов в области лучевой диагностики из Санкт-Петербургского государственного университета и Мариинской больницы. Обучение программы происходило на основе открытых баз данных с КТ-снимками, а сами данные размечались опытными врачами-рентгенологами в специально разработанном интерфейсе. Точность нейросети по состоянию на апрель составляла 84%.

IT-разработчики Сбербанка также создали экспериментальную модель ИИ, позволяющую распознавать на медицинских изображениях очаги поражения коронавирусом. По словам первого заместителя председателя правления Сбербанка Александра Ведяхина, точность алгоритма составляет более 90%, что позволяет программе определять заболевших на уровне хороших рентгенологов. В банке также заявили, что предоставят российским регионам бесплатный доступ к своему IT-решению. Диагностировать заражение коронавирусом при помощи ИИ уже вызвались власти Бурятии и Пермского края. Новый метод будет внедрен минимум в трех больницах – в Перми, Березниках и Улан-Удэ.

Кстати, есть интересные проекты и в самих регионах. Так, группа красноярских ученых, работающих на базе Сибирского научно-клинического центра ФМБА России и Института вычислительного моделирования СО РАН, также тестирует использование ИИ и компьютерного зрения для выявления коронавируса. Ученые хотят добиться не только оперативной диагностики, но и дифференциации видов поражений легких для оценки степени их тяжести. Над похожей программой работает и якутская компания Sciberia.

Подобные системы могут существенно снизить текущую нагрузку на медиков. В свою очередь, это ускорит обслуживание пациентов. Но кто будет нести ответственность, если программа ошибется в постановке диагноза, – врач или разработчики программы?

Как объяснил «Профилю» старший юрист компании Didenko.Legal Сергей Смолин, если в программе была заложена ошибка на этапе ее создания или программа не соответствовала заявленным характеристикам, что привело к постановке неправильного диагноза, это говорит о вине разработчиков. Но если описание программы имело ряд оговорок – например, определенный процент ошибочных диагнозов, в таком случае ответственность за неправильный диагноз может быть возложена на врача.

Как правило, при постановке диагноза доктор полагается не только на информацию от программы. И если присутствуют иные симптомы, при которых врач может предположить наличие заболевания, он обязан предпринять действия по его выявлению иными способами, даже если программа показала отрицательный результат.

Чтобы избежать ошибок со стороны диагностического оборудования, прежде чем появиться в больницах, подобные технологии проходят регистрацию в Росздравнадзоре. «Проверку осуществляет экспертное учреждение. Как правило, один из специализированных научных институтов. На первом этапе проверки проводится анализ документации, описывающей методику работы медицинского оборудования или медизделия. На втором этапе проводятся клинические, технические и токсикологические испытания. И только после этого Росздравнадзор осуществляет регистрацию соответствующей техники», – говорит юрист.

Роботы-помощники

Пандемия значительно ускорила роботизацию сферы здравоохранения. Сегодня роботы помогают в больницах, дезинфицируют улицы, доставляют еду. Например, британские медработники из города Милтон-Кинс получают продукты от робота Starship. В больницах Италии робот Double Robotics помогает установить видеосвязь между пациентами и их родными. А в Руанде роботы-гуманоиды от бельгийской компании Zora Bots контролируют температуру и проверяют наличие у людей масок.

Для борьбы с эпидемией многие роботы поменяли свою изначальную специализацию. Например, в Таиланде против коронавируса начали использовать роботов, разработанных для мониторинга выздоравливающих пациентов с инсультом. Похожая история случилась и с роботом Ugo от японской компании Mira Robotics. Изначально его проектировали, чтобы справиться с нехваткой рабочих рук в связи с быстрым старением населения страны. Теперь, вместо того чтобы убирать помещения в офисном здании, Ugo дезинфицирует больницы.

В США в борьбе с коронавирусом используют четвероногого робопса Spot от компании Boston Dynamics. Его разрабатывали для американских военных, чтобы помогать им во время операций на неровном рельефе. Однако военные отказались от применения таких роботов, и компания переключилась на коммерческие разработки. Стоимость робопса составляет $74,5 тыс. Почти столько же стоит, к примеру, Tesla Model S в базовой комплектации.

С приходом эпидемии Spot начал активно помогать в больницах Бостона, испытывающих наплыв пациентов с коронавирусом. Робот проводит дистанционный осмотр, измеряет ключевые жизненные показатели, дезинфицирует помещения и доставляет медикаменты. В его обновленной конструкции также предусмотрено специальное крепление для планшета, позволяющего пациентам и медработникам переговариваться дистанционно. Также в мае 2020 года робопес Spot был замечен в одном из парков Сингапура. Он патрулировал парк Бишан-Анг Мо Кио, напоминая его посетителям о важности соблюдения социальной дистанции.

Российские разработчики снова не остались в стороне. Так, в апреле Минздрав России объявил о разработке робота для бесконтактного забора анализов на коронавирус. Аппарат сделан на платформе хирургического робота и управляется дистанционно, так что специалист может не подвергать себя опасности, контактируя с потенциально зараженными людьми. Пока робот находится на стадии клинических испытаний.

Компания «Андроидная техника», создавшая известного своим путешествием на МКС робота Федора, также представила целую линейку роботов – помощников для врачей. Робот MedBot M-304 может проводить дезинфекцию воздуха в помещениях, а MedBot M-303 – оказывать помощь лежачим больным. Устройство имеет доступ к электронной карте пациента, а также доставляет в палату еду и лекарства. Те же функции есть у робота MedBot M-302. А MedBot M-201 может дистанционно диагностировать состояние пациентов. В своей работе устройство использует передовые технологии телемедицины.

Изготовлением «железных докторов» занимается и пермская компания Promobot. Недавно компания выпустила робота, способного проводить первичную медицинскую диагностику пациентов. Он может измерять температуру, собирать анамнез и выдавать рекомендации по результатам исследования. Робот также оснащен оборудованием для диагностики дыхательной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем. Стоимость одного такого устройства в зависимости от функционала составляет от 1,5 до 2,5 млн рублей.

Также пермские умельцы создали терминал «Термоконтроль» для бесконтактного измерения температуры в местах повышенной проходимости. Например, на вокзалах или в больницах. Измерение температуры занимает не более пяти секунд, а точность составляет порядка 0,2°C. При этом терминал сам подстраивается под рост обследуемого. В линейке роботов Promobot есть и похожий на небольшой танк робот-дезинфектор «Скорпион», чья задача – обрабатывать улицы. Благодаря гусеничной ленте он легко преодолевает лестницы и бордюры, распыляя дезинфицирующее средство на расстояние до десяти метров.

Созданием робота-дезинфектора занялась и Лаборатория робототехники Сбербанка. Прототип устройства был разработан на базе робота-курьера. За ночь робот может продезинфицировать помещение площадью более 2,5 тысячи кв. м. Робот оснащен ультрафиолетовыми лампами суммарной мощностью 100 Вт, излучение которых убивает все типы патогенов, в том числе вирусы, а также автоматическим выключателем, что позволяет сразу останавливать работу, когда в комнату заходит человек. Робот уже приступил к работе в одной из московских сетей клиник.

Несмотря на снижение активности коронавируса в последнее время, нагрузка на врачей все равно остается высокой. Внедрение роботов позволит снять с них часть этой нагрузки, тем самым высвобождая время для работы с пациентами, чье лечение требует особого контроля. Кроме того, применение роботов значительно снизит риски заражения коронавирусом среди самого медперсонала.

Прыжок в будущее

Пандемия коронавируса унесла тысячи жизней по всему миру, но она же стала причиной ускоренного развития высоких технологий. Причем не только в области медицины: ВОЗ положительно оценивает такие решения, как скрининг населения, отслеживание инфекции, а также расстановка приоритетов в использовании и распределении ресурсов.

Кстати, развитие технического процесса происходило и во время эпидемий прошлого. Например, в результате эпидемии холеры в 1850-е годы была построена канализация Лондона. А «испанка» в 1918 году способствовала усовершенствованию и стандартизации вентиляционных систем. К началу 2020 года мир стоял на пороге очередной научно-технической революции (НТР). Роботизация, цифровизация, развитие искусственного интеллекта – все эти процессы разворачивались и раньше, но обстановка в мире заставила их создателей действовать быстрее и находить нестандартные решения.

Сегодня на «Карте коронавирусных инноваций» от исследовательской компании StartupBlink отмечено более тысячи инициатив со всего мира, помогающих в борьбе с эпидемией и ее последствиями. Здесь и модели ИИ для лучшего выявления вируса от NVIDIA Clara, и аппараты ИВЛ от Nasa, и отечественный «Индекс самоизоляции» от «Яндекса». Объективно оценить эффективность внедрения этих технологий мы сможем только по окончании эпидемии. Но очевидно, что многие из них будут использоваться и после победы над коронавирусом.