A legaktuálisabb példa talán a koronavírus-járvány kapcsán indított számos vakcinakutatás, melyek közül az mRNS-alapú oltóanyagok megalkotásában a biotechnológia, a big data vagy a nanotechnológia is szerepet játszott. Több évtized kutatási eredményei és számos tudományterület innovációja tette lehetővé, hogy alig egy év alatt elkészüljön, embereken történő vizsgálatra alkalmassá váljon, majd élesben is bevethető legyen egy újonnan felbukkanó betegség elleni vakcina.
Big data és a mesterséges intelligencia – avagy az információ egyre inkább hatalom
Mit jelent a big data?
A big data egy komplex informatikai rendszer, mely szoftver- és hardverkörnyezetből, illetve hálózati elemekből tevődik össze. Alapvető feladata, hogy jelentős számú és változatos adatmennyiségeket tárol, valamint dolgoz fel nagy sebességgel.
A big data és az MI – mesterséges intelligencia – mára kikerülhetetlen az orvos-technológiai és egészségügyi ellátás esetében; csökkenti az orvosi költségeket azáltal, hogy gyorsabb és pontosabb működést és betegség-felismerést tesz lehetővé. A technológia képes összehasonlítani az egyéni kórtörténetet több ezer, akár százezres nagyságrendű hasonló esettel, és alkalmazható arra, hogy személyre szabja a kezeléseket, valamint a terápiát minden egyes beteg számára. A jövőben ez azt jelentheti, hogy amikor egészségügyi problémánk van, már nem kell orvosról orvosra járni, elég, ha például az orvosi szoftvert futtató okosóránk jelenti egy intézmény számítógépének a megfelelő adatokat, ami alapján megkapjuk a diagnózist, majd a személyes terápiánkat az adott betegségre és már gyógyulhatunk is.
A big data hatalmas mintavételű, például genetikai vizsgálati adatbázisokat képes létrehozni és kezelni, így elengedhetetlen a közegészségügyben, míg az MI szoftverek a személyre szabott és precíziós orvoslásban, elemzésben, az új gyógyszerek fejlesztésében játsszák a főszerepet. A klinikai tesztek elemzése, a páciensek egyedi kórtörténetei vagy a modellkutatás; mindezek óriási adatmennyiséget jelentenek, melyekben sok esetben bonyolult műveleteket kell végrehajtani.
A hatalmas mennyiségű adatot egy-egy populációra, de akár egyénekre vetítve is sikerrel alkalmazzák, legyen szó egy koronavírus-szintű járványszimuláció lefuttatásáról, kritikus egészségügyi események előre jelzéséről, vagy egyéni génterápia megtervezéséről. A big data rendszerek legnagyobb erőssége, hogy egymástól távol zajló kutatások eredményeit is képes összevetni, és nagy elemszámú minta alapján szimulálni eltérő módszerek eredményességét. Az orvosi big data analízis teszi lehetővé azt is, hogy évek vagy évtizedek helyett akár néhány hónap alatt képesek legyenek a kutatók megalkotni egy gyógyszert vagy azonosítani egy génhibát.
A géntechnológián alapuló gyógyászatban például a big data és MI feladata, hogy bizonyos ráktípusok vagy autoimmun betegségek esetében a legpontosabban térképezze fel a genetikai elváltozást és összevesse a többi hasonló esettel, hogy megtalálja a már működő módszert a gyógyításhoz. A rákkutatásban ilyen módon az IBM Watson for Genomics and Oncology névre keresztelt orvosi mesterséges intelligenciájával folytattak már konkrét vizsgálatokat.
Hasonló módon működnek az mRNS-alapú vakcinák is. Ebben az esetben a bejuttatott kód alapján elkészített fehérje hatására az immunválaszban szerepet játszó sejteket arra készítik fel, hogy egy bizonyos idegen behatolót – például a koronavírus különböző mutációit – felkutassák és elpusztítsák.
Mit jelent az mRNS?
Egy olyan hírvivő molekula, mely az éppen legyártandó fehérje kódját közvetíti a DNS-ből a riboszómák felé. Itt zajlik a sejtekben a fehérje szintézis. Az mRNS-gyógyszerek és -vakcinák ezt a tulajdonságot használják ki: nagyon leegyszerűsítve a mesterségesen gyártott mRNS-molekulákkal a kívánt üzeneteket juttatják el a sejt fehérjéket összeállító részegységébe, és egy célnak megfelelő fehérjekészletet állítanak elő. Az új üzenet szerint működő fehérjék képesek lehetnek visszafordítani egyes elváltozásokat vagy felvenni a harcot vírusokkal, illetve baktériumokkal szemben.
Az eredmények kiértékelését, megosztását és elemzését is big data rendszerek végzik a Microsoft Azure mesterséges intelligencia platformja segítségével.
A nanotechnológia kilép a sci-fi kategóriából
Az mRNS-alapú gyógyászat valójában a nanotechnológia területéhez tartozik. A Semmelweis Orvostudományi Egyetem honlapjának meghatározása szerint a tudományág orvosi alkalmazásában több területre is koncentrál.
Mit jelent a nanotechnológia?
Több tudományág együttműködése hozta létre a nanotudományt és -technológiát, mely az atomok és molekulák szintjén dolgozik, makroszkopikus anyagokat és szöveteket vizsgál, hoz létre vagy befolyásolja azokat. Alapegysége a nanométer, mely a milliméter egy milliomod része. A tudomány területéhez az 1-100 nanométerig terjedő mérettartomány tartozik. A nanotechnológia speciális kémiai, fizikai és anyagtudományi területek ötvözéséből jött létre.
Olyan intelligens gyógyszervivő és célbajuttató eszközöket – például nanorobotokat – fejleszt, melyek különleges vegyületeket szállítanak akár egy-egy sejthez vagy szervhez. Az eszközök arra is alkalmazhatók, hogy ezeket a vegyületeket például késleltetve, vagy csak bizonyos esetekben szabadítsák fel; égési sérülések kezelése esetén ezüst nanoszemcsés gyulladáscsökkentőket, gombaölőket juttathatnak a szövetbe, így gyorsítják a gyógyulást és megakadályozzák a fertőzések kialakulását.
A másik terület a liposzómákat – egyszerű, nanoméretű lipid (zsír) burkokat – célozza meg, melyeket gyógyszerhordozóként használnak. Ezekbe csomagolják például az mRNS-t, hogy azt ne bontsák le a különböző enzimek a sejten kívüli térben, mielőtt eljutna a célsejthez. A kutatások főleg célzott génterápia és a tumorterápia területén zajlanak.
Az mRNS gyógyászati alkalmazása úgy működik, hogy a szervezetbe bejuttatja valamilyen hiányzó fehérjének a kódját, a sejteket ennek termelésére ösztönzi valamilyen működési feltétel szerint. Az mRNS nem lép kapcsolatba a DNS-sel. Jelenleg a vakcinagyártás és a rákgyógyászat területére koncentrálnak a kutatások.
(Videó: Joy Wolfram finn származású nanotudósTED előadása a nanotechnológia és a rákkutatás kapcsolatáról. A videóhoz magyar nyelvű felirat bekapcsolható.)
A nanotechnológia harmadik kutatási területe a mesterséges biometrikus szövetek, szervek és szervfunkciók előállítása. Ilyen lehet majd a jövőben egy mesterségesen előállított szívbillentyű, szaruhártya vagy bőr, melyet protéziseken például már alkalmaznak.
Robottechnológia, avagy az áldásos gépeink
A robotok orvosi vagy egészségügyi alkalmazása meglehetősen sokrétű. Az ultrahanggal irányított nanoméretű antibakteriális robotoktól a mesterséges végtagként funkcionálókon át az emberszerű vagy mókás alakot öltő robotnővérekig számtalan formában és feladatkörben léteznek. Ezek közül most csak néhányat emelünk ki.
A legismertebbek a sebészeti robotok, melyeket több területen is be tudnak vetni, így például a vakbélműtétektől az ortopéd felhasználáson át a nagy precizitást igénylő idegsebészetig.
Majdnem két évtizede szolgáló rendszer a DaVinci, ami leginkább egy orvos instruálta eszköz és egy robot közti átmenetként lehetne leírni.
Ezt a majdnem két évtizede létező rendszert arra használják, hogy precíz, gyors és minél kisebb vágásokat, műveleteket tudjanak végezni a szövetekben és szerveken. Világszerte 6 ezer DaVinci robot működik betegellátásban, és 1,2 millió műtétet hajtottak velük végre.
Az alaptípus mellett ma már távolról irányítható, sőt, orvosi beavatkozás nélkül is működő sebészeti robotok is operálnak a műtőkben.
Az orvosi robottechnológia kiemelkedően fejlődő területe a protézisek megalkotása. A művégtagok mára hasonló hatékonysággal és finomsággal képesek működni, mint a természet adta karunk vagy lábunk.
Igazi áttörés a területen, hogy a protézisek neurális implantátumok segítségével valódi idegi visszajelzéseket is képesek adni, tapintani, érezni, és képesek finommotorikus irányításra. Például művégtaggal is képes a használója táncolni, megsózni a levest, rajzolni, autót szerelni, érzi az érintést, a hideg és meleg közti különbséget vagy az esőt a bionikus bőrön.
Az egészségügyi robotok újabb generációi a járványveszély alatt is számos célt szolgálhatnak, így a sebészeti robotokon felül alapfeladatokat is át tudnak venni. Megmérhetik az érkező betegek hőmérsékletét, vagy használhatók arra, hogy a kórházi dolgozók és a betegek között minél kevesebb személyes kontaktus történjen: például elvégezhetik a vizitet, miközben az orvosok táblagépeken keresztül állnak kapcsolatban a betegekkel.
Egyes kutatások eredménye azt mutatja, hogy az MI-vel felvértezett robotok képesek összetett orvosi feladatokat megtanulni és alkalmazni, így diagnosztizálni, tehát számtalan betegség tüneteit fel tudják ismerni, és kezelési javaslatot tudnak tenni rájuk. Ezek közül a legismertebb az FDNA rendszer, mely jelenleg mobilapplikáció képében fut. A távlati elképzelések a kórházi és járóbetegellátást forradalmasítanák a technológiák ötvözésével.
Az eddigi eredmények arra engednek következtetni, hogy a különböző tudományok szinergiája ösztönzően hat az egyes területek fejlődésére, így az orvostudomány számos ága, az informatika, a mesterséges intelligencia kutatás vagy a biotechnológia újabb és újabb utakat, valamint kutatási célokat fedez fel. Ezek alkalmazásával pedig képesek lehetünk most még legyőzhetetlennek tűnő feladatok megoldására is.
