Часть 2
Самообучающийся умный мир
Глава 5
Человек 2.0
Мы выпили Сому – и стали бессмертны,
Мы свет обрели и узрели богов.
Отныне все козни врагов – не во вред нам,
Что будет бессмертным от смертных врагов?
Ригведа. Мандала VIII. Гимн 48 «К Соме», стих 3
Авторы: Алекс Лайтман и Бретт Кинг
Древнейший памятник художественной литературы – «Эпос о Гильгамеше» – представляет собой собрание стихотворных преданий жителей Месопотамии о жизненном пути Гильгамеша, правителя города Урук. Одна из центральных линий повествования – поиски Гильгамешем бессмертия после гибели его названого брата Энкиду. Действие происходит во времена правления Третьей династии Ура (около XXII–XXI веков до н. э.); это одно из старейших дошедших до нас человеческих преданий.
С тех пор поиск бессмертия остается вечной темой, раз за разом находившей отражение в литературе на протяжении всей истории человечества. Уже около 475 года до н. э. эликсиры бессмертия начинают регулярно упоминаться в китайских письменных источниках, а император Китая Цзяцзин (годы правления – 1521–1567) и вовсе скончался от отравления «эликсиром бессмертия», содержавшим ртуть. Согласно сборнику ведических гимнов «Ригведа», в древней Индии напиток бессмертия назывался «амрита». В индуистской и некоторых других восточных традициях его же называют «сома». Бог неба Индра и бог огня Агни обрели бессмертие, испив амриты (амброзии). В классической древнегреческой мифологии философский камень, помимо способности обращать свинец в золото, одаривал своего владельца еще и бессмертием.
Уровень технологического развития эпохи дополненной реальности, пожалуй, впервые в истории человечества дает нам осязаемую возможность добиваться пусть и не бессмертия, но существенного продления срока жизни и избавления от болезней, веками преследовавших и мучавших людей. Прежде всего пристального внимания в ближайшее десятилетие заслуживает развитие такой технологии, как генная инженерия, позволяющая перепрограммировать наши ДНК. В основе биоинженерных достижений – способность понимать как никогда прежде функционирование наших организмов. И все благодаря качественному рывку в развитии измерительных технологий и повышению мощности компьютерных систем обработки данных.
Существует мнение, что итогом этой эпохи станет технологически обусловленный выход человечества за пределы естественного горизонта событий, «сингулярный» прорыв к возможности не просто продлевать жизнь, а увеличивать ее, при желании, на неопределенно долгий срок. Движение в поддержку поиска технологической базы бессмертия получило в последнее время название «трансгуманизм». В отличие от усилий минувших веков, направленных на поиск некоего трансцендентного источника вечной молодости, обещаемое нам в ближайшие пару десятилетий трансгуманистами прогрессирующее долгожительство имеет под собой научный фундамент и станет результатом невероятных технологических усовершенствований в различных областях здравоохранения, медицины и смежных с ними дисциплин.
Трансгуманизм – не имеющее строгого определения движение, сформировавшееся за последние двадцать лет и пропагандирующее междисциплинарный подход к пониманию и оценке возможностей совершенствования человеческого организма и среды его обитания, открываемых технологическим прогрессом. Внимание уделяется как уже существующим технологиям, наподобие генной инженерии, так и технологиям, которые предсказуемо появятся в обозримом будущем, таким как молекулярная нанотехнология и искусственный интеллект.
Ник Бостром
Эти так называемые постгуманистические силы будущего сфокусированы на двух широко трактуемых областях существования человека в симбиозе с технологическими дополнениями. Первая группа – биоинженерные технологии (в широком понимании). Вторая, иногда называемая «киборгизацией», – технологии совершенствования человека за счет высокотехнологичных искусственных дополнений. Изменение всего образа жизни людей как биологических организмов, наделенных сознанием, и, как следствие, изменение нашего физического состояния и самочувствия станет ключевым завершающим аккордом всего «века дополненной реальности». В двух следующих главах мы детально рассмотрим два взаимозависимых и взаимодополняющих магистральных пути развития человечества. И речь пойдет отнюдь не о «научно-фантастических» прогнозах, а о вполне реальных вещах, внедрение которых находится на стадии рассмотрения и проработки. Технологии в скором времени фундаментально изменят сами наши представления и о биологии нашего организма, и о том, как нам активно управлять собственным здоровьем и тем самым – продолжительностью жизни.
В настоящей же главе мы ограничимся рассмотрением вопроса о том, как технологии помогают нам расширять биологические пределы возможностей нашего организма за счет использования средств генетики, принципов индивидуального подбора медикаментов и применения методов, вырабатываемых набирающим популярность движением за количественный самоконтроль (КС).
Что касается технологий, помогающих нам дополнить себя как человеческую личность, то их мы детальнее рассмотрим в главе 6.
Для понимания потенциального влияния генетики и, в частности, биоинженерии на будущее человечества полезно осмыслить, насколько огромные шаги были сделаны в этом направлении за считаные десятилетия. Первый в истории проект полного исследования генома человека был инициирован в 1984 году в США на выделенные федеральным правительством деньги. Но по-настоящему работа по «Геному человека» развернулась лишь после 1990 года, с началом международного сотрудничества в этой области. Затем потребовалось 13 лет коллективных международных усилий и 2,7 млрд долларов США, выделенных как в виде государственных субсидий, так и в порядке частных инвестиций. Благодаря им ученые завершили первую полную реконструкцию ДНК человека, включая около 22 300 генов и более 3 млрд пар оснований, присутствующих в образцах донорских ДНК. Сегодня коммерческие компании вроде 23andMe предлагают всем желающим услуги по анализу генотипа (методом сравнения последовательности генома исследуемой ДНК с эталонными образцами) всего за сотню долларов и пару недель. Если же вам хочется узнать не просто свой генотип, а детальную геномную последовательность, то это по-прежнему обходится в сумму порядка 10 000 долларов США, но ожидается, что уже в ближайшие годы цены снизятся на порядок в силу закона Мура. Снижение стоимости услуги с 3 млрд до 1000 долларов США всего за четверть века подразумевает, что к 2025 году цена полного определения последовательности ДНК, вероятно, не будет превышать 10 долларов, а быстродействие компьютеров к тому времени возрастет настолько, что результат будет выдаваться за считаные секунды.
Почему нам важно знать свой геном? Дело в том, что десятки серьезных заболеваний, в том числе аутизм, рак молочной железы, простаты, кожи и толстой кишки, кистозный фиброз поджелудочной железы, гемофилия, болезнь Паркинсона и серповидно-клеточная анемия, на сегодняшний день доказательно отнесены к категории генетически обусловленных. Множество других заболеваний носят условно-генетический характер, поскольку возникают, пусть и опосредованно, вследствие генетически обусловленных нарушений иммунной системы, обмена веществ или белкового баланса в организме человека. Мы еще вернемся в этой главе к рассмотрению вопроса о редактировании генома как генно-инженерном методе профилактики и лечения подобных заболеваний.
Но не одним лишь стремительным развитием генной инженерии обусловлен коренной пересмотр нашего подхода к управлению собственным здоровьем. Лечение заболеваний по мере их проявления и симптоматической диагностики – дело дорогостоящее, особенно в запущенных случаях, когда и вмешательства требуются сложные и затратные, и шансы на успех резко снижаются. При многих формах онкологических заболеваний раннее выявление повышает вероятность выживания в течение ближайших пяти лет на 90 %.
Последние разработки в таких областях, как диагностическая визуализация и использование датчиков для дистанционной диагностики, привели к прорыву в выявлении патологий. Чуть позже мы обсудим некоторые из этих технологий.
На данный же момент самым насущным и ближайшим по времени изменением в здравоохранении и подходе к обеспечению нашего хорошего самочувствия становится применение новейших технологий мониторинга показателей жизнедеятельности человека на индивидуальной основе. Совокупность таких технологий как раз и является предметом особого внимания движения за КС. Чем дальше, тем яснее, что накапливаемые нами данные о том, как мы тратим время и деньги, что и как мы едим и пьем, сколько шагов на какие расстояния мы проходим, сколько калорий сжигаем и хорошо ли мы спим, можно использовать для укрепления личного здоровья каждого.
От количественной самооценки – к активизации образа жизни
Если вам доводилось надевать браслет для фитнеса вроде Fitbit или умные наручные часы, вы, вероятно, уже знакомы с функциями ежедневного мониторинга числа шагов и физической нагрузки. Хотя технологии, стандарты и методологии КС все еще находятся на стадии разработки, уже сегодня можно предвидеть их широкое применение для улучшения разнообразных аспектов нашей жизни.
Накапливается все больше статистических доказательств полезности измерения частоты пульса во время и после физических упражнений, а также регулярных замеров артериального давления, снятия электроэнцефалограмм (во время бодрствования и во сне), мониторинга жировых отложений, массы тела и многих других физиологических показателей. Их отслеживание – по отдельности или комплексное – позволяет нам не только совершенствовать свой образ жизни, но и предоставлять медикам, физиологам и другим специалистам доступ к объективным данным о состоянии наших организмов, позволяющий им вырабатывать для каждого из нас индивидуальные рекомендации по оздоровлению.
Мониторинг сердечной деятельности традиционно осуществлялся при помощи дорогостоящего электрокардиографического оборудования и требовал посещения клиник, где вас обвешивали датчиками, соединенными со стационарным аппаратом ЭКГ. Даже так называемые «портативные» пульсометры недавнего прошлого монтировались на неудобном нагрудном поясе. А сегодня для мониторинга частоты сердцебиения достаточно легкого наручного пульсометра, такого как браслет Mio или наручные часы Apple Watch. Приобретя такой нательный кардиомонитор, вы сразу же можете начать использовать его совместно с разнообразными мобильными приложениями, обрабатывающими данные о текущей частоте пульса и предназначенными в основном для занятий фитнесом. Но они поддерживают иногда и весьма нетривиальные функции, например выявление аллергии на конкретные продукты питания или степень эмоционального комфорта, напряжения или раздражения, вызываемого у вас общением с различными людьми. И все это становится возможным исключительно благодаря тому, что ритм нашего сердцебиения рассказывает о нас и жизнедеятельности нашего организма очень многое.
Мониторинг физической формы
Приложения для мониторинга физической формы и, в частности, для занятий фитнесом начинают отслеживать все больше и больше данных, а современное обеспечение позволяет анализировать уже десятки параметров состояния организма. Сегодня типичным способом вхождения в мир КС является использование компьютеризованного тренажера «беговая дорожка». Единожды ступив на ленту умной дорожки, вы сможете постепенно наращивать скорость и со временем перейдете от ходьбы и бега трусцой к полноценному спортивному бегу (который, по одному из определений в учебниках физкультуры, начинается со скорости 10 км/ч или покрытия километрового расстояния за шесть минут). После этого вы, по мере улучшения вашей физической формы в процессе тренировок, сможете развивать все большие скорости на все более длинных дистанциях. Ниже представлена фотография с пульта управления беговой дорожки, сделанная Алексом после его «рекордного забега», и его комментарий к ней для друзей по Facebook:
Алекс Лайтман
15 июня 2014 года
Маленькие достижения меня всегда радуют.
Вернувшись к пробежкам после недельного перерыва, затянувшегося в итоге на 30 лет, я едва осилил 5 км (3,11 мили) со средней скоростью 5 миль/час.
Потом, на годы застряв на отметке 6 миль/час, я много читал о нейрогенезе (образовании новых нервных клеток), и у меня сформировалась гипотеза, что всякий раз, когда мне удается нарастить темп бега, у меня укрепляются не только мышцы, легкие и сердце, но и головной мозг, а также способность к обучению.
…в пятницу, 13-го числа, я поставил личный рекорд, пробежав пятикилометровую дистанцию со средней скоростью 8 миль/час (в темпе 7 мин. 30 сек. на милю). Следующая моя цель – натренироваться выдерживать темп 8 миль/час в течение 60 минут к 30 июня.
Я знаю, что многие мои друзья могут бегать быстрее и дольше, и это только придает им (вам) уважения в моих глазах. Просто я счастлив, и не только потому, что не бегал так быстро с 17-летнего возраста, но и потому, что приучил свой мозг, сознание и тело регулярно совершенствоваться по заданному графику.
Удачи и успехов вам в собственных достижениях! Заглядывайте на мою страничку и берите с меня пример, если надумаете заняться бегом. Можем и посоревноваться!
Потратив меньше 100 долларов на Vivofit или иное аналогичное устройство, человек получает возможность отслеживать не только число пройденных за день шагов, но и множество других показателей здорового образа жизни. Вот лишь один пример такого личного достижения: Алекс за сутки сделал 55 848 шагов и за явным преимуществом выиграл еженедельное соревнование по этому показателю Step Challenge среди пользователей мобильных приложений для браслетов Vivofit.
Рисунок 5.1. Алекс празднует свое эпохальное достижение
Алекс вспоминает свои ощущения от той победы:
День был дождливый, но, чтобы точно не отстать от графика, я ходил туда-сюда по гостиничным коридорам и на ходу читал книги. А потом даже прохаживался взад-вперед по проходу в самолете, пока мои попутчики спали, чтобы не упустить возможности накрутить дополнительно несколько тысяч шагов. Потом взглянул на расход калорий, и выяснилось, что за тот конкретный день я их сжег целых 4065 – исключительно за счет пешей ходьбы. А ведь это куда больше, чем я обычно сжигаю за одну тренировку на бегущей дорожке (3500), не говоря уже о других упражнениях.
Онлайновое игровое состязание или сравнение достижений представителей однородных групп может стать важнейшим мотивом к самосовершенствованию – не менее действенным, чем стимул к соревнованию с самим с собой. Это ключевой элемент количественной самооценки в нашем современном понимании и мощный стимул к оздоровлению образа жизни.
Рисунок 5.2. Мобильные приложения, подобные Vivofit, используют рейтинги достижений пользователей для геймификации – придания соревновательного интереса физическим упражнениям и превращения их в увлекательную онлайновую игру
Количественные показатели качества сна
Большинство людей испытывают шок, узнав, как часто прерывается их ночной сон, казавшийся им крепким и сладким. Десятки миллионов жителей планеты вообще впервые ознакомились с азами научной концепции физиологии сна, лишь посмотрев телевизионное реалити-шоу о борцах с собственным ожирением «Взвешенные люди». Для участников конкурса, в начале сезона страдавших ожирением, то и дело становилось полной неожиданностью, что врачи диагностировали у них синдром обструктивного апноэ – заболевание, выражающееся в многократной приостановке дыхательной деятельности во время ночного сна. В результате человек, страдающий апноэ, за ночь многократно, иногда до сотен раз, пробуждается, что не позволяет ему или ей погрузиться в глубокий медленный сон и последующий быстрый сон, которые необходимы для настоящего отдыха и восстановления работоспособности.
На самом деле проблемы со сном, такие как обусловленные апноэ трудности с засыпанием, способны вызвать массу негативных последствий для здоровья, включая гипертонию, сердечно-сосудистые заболевания, ожирение, сахарный диабет второго типа, астму, кислотную отрыжку и потерю внимания. Последнее, в частности, объясняет, почему водители, страдающие обструктивным апноэ сна, попадают в автомобильные аварии впятеро чаще нормально высыпающихся водителей.
Для сторонников КС забота о глубоком сне стала чуть ли не краеугольным камнем, ради которого, например, такой ученый-естественник, как Джованни Сантостаси, оставил астрофизические исследования (описание звезд и иных объектов в дальнем космосе по результатам анализа их волнового излучения в различных диапазонах частот), обратившись к изучению медленноволнового сна с помощью электроэнцефалографии (ЭЭГ) – регистрации электрической активности мозга, которая проявляется соответствующими волновыми колебаниями. Процитирую мнение доктора Сантостаси, нейробиолога из Медицинской школы имени Файнберга при Северо-Западном университете:
Сон в целом, и особенно специфическая фаза сна, именуемая медленноволновым сном, исключительно важны для когнитивного и телесного здоровья человека. Именно на стадии медленноволнового сна происходит сохранение информации в долгосрочной памяти, он оказывает значительное влияние на метаболизм, здоровье и работу сердечно-сосудистой и иммунной системы. Дефицит медленноволнового сна способствует ожирению и развитию диабета, сердечно-сосудистых заболеваний, нарушений иммунитета, расстройству когнитивных функций и способности к извлечению информации из долговременной памяти. Более того, качество медленноволнового сна резко снижается с возрастом, что приводит к серьезным старческим нарушениям когнитивных функций.
Доктор Сантостаси с коллегами разработали систему акустической стимуляции медленноволновой активности головного мозга, способствующую стабилизации и увеличению продолжительности фазы глубокого медленного сна, что обеспечивает повышение качества сна. Достигается это за счет принудительной синхронизации биоэлектрических ритмов различных участков головного мозга, отвечающих за выработку медленноволновых сигналов в фазе глубокого медленного сна, с биоритмами, характерными для молодого здорового человека. Это обеспечивает внешний контроль качества (продолжительности и глубины) медленного сна.
Идея сторонников КС задавать синхронизирующие сигналы акустическими, а не электромагнитными волнами открывает возможность передачи управления параметрами медленного сна в руки потребителей и под их ответственность. До сих пор для синхронизации использовалась стимуляция слабыми токами (транскраниальная магнитная стимуляция), что исключало ее безопасное и эффективное использование в быту без контроля со стороны профессиональных специалистов.
Новая система количественного самоконтроля использует алгоритмы обратной связи, позволяющие измерять продолжительность и глубину медленноволнового сна в режиме реального времени по естественным характеристикам деятельности головного мозга. При этом интенсивность стимулирующего акустического медленноволнового воздействия корректируется пропорционально нехватке естественных сигналов. Это значительно эффективнее простого повышения интенсивности и продолжительности медленноволновой деятельности мозга на фиксированную величину. Такой подход позволяет системе учитывать степень реального дефицита медленноволнового сна у пользователя.
Скоро у вас появится возможность, надев наушники, сразу же погружаться в состояние глубокого медленного сна, способствующего восстановлению головного мозга, улучшению обучаемости и памяти, а также саморегулированию обмена веществ и массы тела. Использование этого метода, вероятно, также сократит вашу ежесуточную потребность в ночном сне. Только представьте, на что можно потратить дополнительные два-три часа, ежедневно высвобождающиеся за счет сокращения длительности ночного сна, при том что просыпаться вы будете в значительно лучшей форме, чем сегодня.
Мониторинг потребляемых калорий
Недавно на краудфандинговой площадке Kickstarter началась кампания по сбору средств на запуск в производство нового устройства, которое позволит оценивать находящуюся прямо перед вами пищу на предмет ее калорийности.
Рисунок 5.3. Спектрометр SCiO подключается к смартфону, который анализирует результаты спектрометрии и выдает пользователю данные о точном химическом составе пищи (источник: SCiO)
Этот портативный сканер-анализатор использует последние достижения физической химии для перевода в цифры самых разнообразных характеристик исследуемых предметов и субстанций. Сканер определяет состав, начиная с содержания сахарозы и глюкозы во фрукте и заканчивая выявлением психотропных препаратов, подмешанных в оставленный вами на барной стойке коктейль. В основе устройства SCiO лежит использование методов спектроскопии – тех самых технологий, с помощью которых астрофизики исследуют химический состав звезд.
Сканер SCiO считывает и передает на ваш смартфон через беспроводную связь по протоколу Bluetooth так называемую «молекулярную подпись», отражающую точный химический состав исследуемого продукта. А приложение SCiO пересчитывает эти данные в понятные пользователям показатели калорийности, питательных свойств продукта и т. п.
С одной стороны, эта технология пока что находится в зачаточном состоянии; с другой – нетрудно предугадать, что в ближайшем будущем ее развитие приведет к появлению гаджетов и мобильных приложений, позволяющих добавлять данные о калорийности и содержании жиров, белков и углеводов в пище на вашем столе перед тем, как поделиться ее фотографией с друзьями по соцсетям. Имея на вооружении такие знания, как не побороться с пандемией ожирения, охватившей развитые страны мира? Только представьте, что ваш собственный смартфон выдает вам предупреждение, что следующий пончик повысит вероятность развития у вас острой сердечной недостаточности в ближайшие 14,6 года на 7,5 %. Вам эти пончики поперек горла не встанут?
Битва за долгую жизнь
Одним из самых интересных применений информации, получаемой нами в порядке КС, обещают стать данные, помогающие нам взвесить все «за» и «против» перед тем, как принять решение, получив нужные данные прямо к моменту выбора и с учетом статистически значимых влияний на ожидаемую продолжительность нашей жизни. Мощным стимулом к поиску компромиссов подобного рода в плане отказа от вредных привычек или самоограничений станут детальные данные, подобные представленным на рисунке 5.4.
Первые же 20 минут упражнений для сердечной мышцы продлевают нашу жизнь на ЦЕЛЫЙ ЧАС?! Так где мы раньше были? Почему никто не подсказал Алексу 33 года тому назад, что напрасно он забрасывает бег на долгие 28 лет? Тем более что и следующие полчаса прибавки к сроку жизни даются лишь чуть большей по продолжительности тренировкой? Разве плоха такая сделка? Разве это не оптимальный режим дня, когда поутру закусываешь кофе фруктами, а вечером бокал доброго вина овощами? По общему суточному балансу заведомо остаешься в плюсе, если днем побегал часок и придерживался здоровой диеты, – и получаешь 4,5 часа прибавки к отпущенному тебе жизненному сроку!
Рисунок 5.4. Влияние повседневных привычек и занятий на продолжительность нашей жизни (источник: Men’s Healthblog)
Так давайте все-таки разберемся детальнее с этой концепцией увеличения срока нашей жизни. Попробуем перестроить свой умственный склад, пока мы еще на это способны, прежде чем переходить к рассмотрению путей активации наших скрытых возможностей по защите своего тела и разума от деградации, а затем сформулируем алгоритм самообновления до версии «Человек 2.0».
Рисунок 5.5. Мобильное приложение Apple HealthKit позволяет регистрировать и анализировать 67 показателей здоровья пользователя (источник: Apple)
Серийный выпуск устройств и программных продуктов с функциями КС начался всего несколько лет назад, но уже к 2013 году объем их продаж в мире превысил 200 млн долларов США. Рост произошел преимущественно за счет реализации простейших шагомеров и счетчиков сжигаемых калорий, учитывающих данные о пройденном расстоянии, перепадах высот и собственном весе тела пользователя. Затем подобные функции были включены в некоторые приложения для iOS и Android. Теперь они входят в стандартный пакет операционных систем для мобильных устройств, таких как Apple iOS 2015, что позволяет максимально использовать возможности нательных гаджетов типа часов Apple Watch. Соответствующее мобильное приложение Apple получило название HealthKit.
Как показывает снимок экрана, представленный на рисунке 5.5, данные приложения Apple HealthKit разделяются на семь основных категорий (антропометрические параметры, физическая форма, индивидуальные данные, питание, результаты, сон и основные показатели жизнедеятельности). Информация представлена 67 отдельными показателями, которые можно вывести на вкладке «Все» (All). При этом действительно регистрируется буквально все, начиная с потребления калорий и до уровня содержания цинка в тканях.
Нет ни малейших сомнений, что с выходом каждой новой версии операционных систем iOS или Android функциональность и число поддерживаемых категорий мониторинга будут только расширяться. При этом все собираемые подобными мобильными приложениями данные уже в ближайшем будущем станут жизненно необходимыми для вашего же лечения, – сами увидите.
Для информационно-технологической отрасли маниакальное увлечение общества замерами всего и вся стало манной небесной и привело к возникновению целого ряда компаний с оцениваемой рыночной стоимостью свыше 100 млрд долларов США. Назовем Intel, чьи микропроцессоры мы покупаем снова и снова по мере повышения их тактовой частоты и производительности. Отметим Cisco, чьи роутеры все больше ускоряют наш доступ к интернету, снижая время задержки сигнала на миллисекунды от модели к модели. Развивается Facebook, на чьей социально-сетевой платформе пересчитаны и выставлены нам напоказ «друзья», «лайки» и «комментарии». У нас есть Google, чья поисковая система экономит нам в среднем 20 минут на получении одного ответа на интересующий нас вопрос по сравнению с затратами времени на поиск по печатным источникам. Имея доступ к массе всевозможных статистических показателей и тысячам баз данных, на какие из них нам следует обращать первоочередное внимание?
Наверное, прежде всего на продолжительность человеческой жизни, поскольку от нее через систему логических взаимосвязей зависит очень многое, если не все. Ряд футурологов явно или неявно придерживаются моделей, схожих с моделью DSTEP, предложенной Фрэнком Физером: демографические (D) изменения приводят к социальным (S), а за ними, по цепочке, следуют технологические (Т), экономические (Е) и политические (Р) изменения.
То есть, согласно методологии Физера, первопричиной всего происходящего в человеческом мире являются изменения в демографии. В последнее время самым динамичным демографическим показателем стала средняя ожидаемая продолжительность жизни. В наши дни она увеличивается на пять часов в сутки благодаря стремительному развитию науки, в частности медицины. Вот как объяснил этот феномен Томас Кирквуд, первым опубликовавший это наблюдение в 2010 году в специальном выпуске журнала Scientific American:
Наши предки относились к смерти проще, чем мы, поскольку сталкивались с ней гораздо чаще. Всего 100 лет назад средняя продолжительность жизни европейца составляла 40–45 лет. Такой прискорбный факт объяснялся высокой детской и юношеской смертностью по целому ряду причин. Примерно 25 % детей умирали, не прожив и пяти лет. Молодые женщины часто погибали при родах. И даже какой-нибудь совсем не старый садовник, поцарапав руки о колючий кустарник, мог получить заражение крови.
За последние 100 лет ситуация со смертностью среди людей молодого и среднего возраста кардинально изменилась. Появились лекарственные средства, побеждающие инфекционные заболевания – основную причину гибели младенцев и рожениц, быстрыми темпами развивается санитария, большие успехи достигнуты в выхаживании тяжелобольных. Сегодня люди живут гораздо дольше, и популяция в целом стареет. Средняя продолжительность жизни все более возрастает. В развитых странах она увеличивается ежедневно более чем на пять часов, а в самых богатых из них – еще быстрее.
В конечном счете, если прожить подольше хотите лично вы, то следите лучше не за статистикой роста продолжительности жизни, а за своим здоровьем. Вам нужно составить собственный рецепт долголетия, включающий все полезное и исключающий все вредное лично для вас.
И вот тут-то нам на помощь неожиданно и приходят те самые 67 показателей здоровья из мобильного приложения для iOS. Можно пробежаться по ним, выбрать для начала какой-то конкретный параметр для отслеживания и работать над его улучшением, пока не выйдете на нужный уровень. После этого выберите следующий показатель и повторите процесс. Альтернативный подход – синергетическое совершенствование сразу по нескольким выбранным параметрам, что, кстати, не лишено смысла, поскольку нередко позволяет сэкономить время, деньги и силы, так как их вложение в одну область может принести пользу и в других. Раньше вести самостоятельный учет подобных данных было очень трудно, а по каким-то параметрам – и просто за пределами возможностей отдельно взятого индивидуума, а сегодня благодаря умным датчикам и мобильным приложениям для них затраты на количественный самоконтроль снизились на много порядков.
Самоактивация
Хотя мышечной массы у мужчин, как правило, больше, чем у женщин, представители обоих полов, согласно книге Роберта Кейла и Джона Кевенафа «Человеческое развитие», достигают пика физической формы к 25–30 годам, а затем постепенно утрачивают ее на протяжении всей оставшейся жизни. Максимум сенсорных способностей приходится на 20–25 лет. В зависимости от индивидуальных особенностей, образа жизни и окружающей среды зрение начинает ухудшаться после 40–60 лет. А вот слуховая восприимчивость – уже в 25–30 лет. Зато вкусовое, обонятельное и осязательное восприятие, чувство равновесия, восприимчивость к боли и перепадам температуры остаются в норме часто до глубокой старости.
Можно назвать пять областей, в которых мы, по прохождении пика, неуклонно деградируем со скоростью около 1 % в год. Такая картина характерна для процессов с линейным коэффициентом ослабления, поскольку затухают они действительно линейно, будь то на обычной или логарифмической шкале. Давайте условимся называть процесс принятия нами всесторонних мер, направленных на нейтрализацию подобных явлений линейного затухания или даже частичное восстановление утраченных позиций, активацией скрытых резервов организма или, для краткости, «самоактивацией», а людей, которым удается этого эффекта достигнуть, – «активировавшимися». Ведь логично предположить, что именно для самоактивации нам в будущем и пригодятся собираемые и интерпретируемые всесторонние данные о состоянии нашего здоровья.
Длина теломер
Теломеры представляют собой концевые участки хромосом, состоящих из плотно сплетенных двойных спиралей наших ДНК. Их еще иногда сравнивают с жестким наконечником («пистоном») обувного шнурка.
При зачатии природа отпускает нам 15 000 теломер. При каждом делении клетки теломеры расходуются. В процессе внутриматочного развития зародыша и плода клетки нашего организма делятся настолько интенсивно, что к моменту рождения в запасе у нас остается уже 10 000. На момент естественной смерти в организме среднестатистического человека, несмотря на преклонный возраст, все еще остаются неизрасходованными порядка 5000 единиц. Без специального омолаживающего лечения на клеточном уровне (представьте себе, некоторые представители фауны, например медузы вида Turritopsis nutricula, способны омолаживать свои клетки!) после определенного числа делений наши клетки достигают так называемого предела Хейфлика и дальше делиться не в состоянии.
Одна из причин старения – разрушение теломер на концах спиралей ДНК до следующего деления клетки. Представьте, что лопнул и соскочил наконечник шнурка на вашем ботинке. Без него шнурок быстро начнет расплетаться и придет в негодность, требуя замены.
В 2013 году медиками было установлено, что у лиц, страдающих тревожным расстройством, теломеры короче, чем у психически здоровых. А по результатам совместного исследования Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Научно-исследовательского института профилактической медицины было доказано, что здоровый образ жизни способствует снижению темпа укорачивания теломер и, как следствие, продлению жизни. В этом исследовании в течение пяти лет велось наблюдение за 35 пациентами мужского пола с раком предстательной железы на ранней стадии. Примерно трети из их числа прописали здоровое питание, физические упражнения не менее получаса в день, а также лекарства от нервного стресса.
Результаты показали, что у мужчин, перешедших к здоровому образу жизни, теломеры на момент окончания исследования оказались на 10 % длиннее, чем у представителей контрольной группы. И напротив, самые короткие теломеры были выявлены у пациентов, отказавшихся от перехода к здоровому образу жизни.
Особо перспективным направлением в геронтологии считается использование теломеразы – фермента, восстанавливающего теломерные окончания ДНК и тем самым омолаживающего организм на клеточном уровне, что обещает практически неограниченное продление жизни. Сокращение длины теломер считается одним из первичных «часовых механизмов» старения, но, увы, человеческий организм самостоятельно удлинять теломеры не способен. Будем ждать известий о достижениях в области активации теломеразы от ученых.
Вентиляционная способность легких
Показатель максимального потребления кислорода (МПК, или VO2max) измеряется в миллилитрах усвоенного организмом кислорода на килограмм живого веса в минуту (мл/мин/кг). Начиная с 28-летнего возраста и до самой смерти наш показатель МПК ежегодно снижается на 0,1–1,0 мл/мин/кг, в среднем – на 0,4 мл/мин/кг, а в случае малоподвижного образа жизни (например, при сидячей работе) или наличия избыточного веса – еще быстрее.
Рекордный для человека показатель МПК – 97,5 мл/кг/мин – был зафиксирован у одного велосипедиста в 2012 году. У большинства участников марафонского забега на Олимпийских играх регистрируется вентиляционная способность на уровне 75–80 мл/мин/кг. Из одомашненных животных самый высокий МПК на уровне 150 мл/мин/кг наблюдается у скаковых лошадей, среди живущих на воле млекопитающих доходя до 300 у гепарда, способного развивать скорость до 112 км/час, – правда, поддерживать столь высокую скорость эти дикие кошки способны не дольше двух минут.
Лучший способ выжать максимум из легких и сердца и достичь предела вентиляционной способности своего организма – регулярный, по возможности ежедневный, бег на средние дистанции (1,5–2 км) на пределе ваших возможностей. Ведь выдающиеся бегуны, лыжники и велосипедисты ничуть и не скрывают, что высокий уровень МПК – главный залог их высоких достижений. Чем больше приток кислорода в наш организм, тем яснее наши мысли, тем дальше и быстрее мы бежим, тем дольше способны сохранять бодрость без сна при прочих равных условиях. Наш головной мозг стабильно потребляет 20–25 % поступающего в организм кислорода, так что имеет смысл задуматься над тем, чтобы максимально использовать любую возможность для насыщения кислородом каждой клетки нашего тела. Поставить себе целью достижение личного потолка МПК и как можно более длительное поддержание своих дыхательных функций на этом уровне – вот один из ключей к продлению срока пребывания в ясном уме на склоне ваших дней.
Саркопения
Саркопения— это «мышечная недостаточность» в переводе с греческого. После 30 лет мы начинаем ежегодно терять до 1 % «сухой» мышечной массы. Мышечные волокна подразделяются на быстрые и медленные. Проиллюстрировать их различие проще всего на примере курятины: быстро сокращающиеся мышцы – это белое мясо, медленно сокращающиеся – темное. В человеческом организме первые деградируют быстрее вторых, что приводит к развитию у пожилых людей таких эффектов, как нарушение координации движений, неуверенная походка или неспособность самостоятельно подняться из сидячего положения.
Недавние исследования показали, что пожилые люди совершают жевательные движения с меньшей частотой, чем молодые, по причине все того же вырождения мышечных тканей. Более того, установлено, что с возрастом снижается прочность мышц на разрыв и сопротивляемость мышечной ткани дегенеративным изменениям. Все вышеописанные возрастные явления, а также потеря общей мышечной массы в преклонном возрасте имеют достаточно простое объяснение: как бы хорошо пожилой человек ни питался, рост мышечных волокон с возрастом замедляется, а затем и вовсе прекращается; кроме того, перестает работать механизм инсулиновой защиты мышечных тканей от вырождения, в результате чего дегенеративные процессы интенсифицируются в перерывах между приемами пищи, в частности во время ночного сна.
Опубликованное в 2009 году в American Journal of Clinical Nutrition исследование показало, что силовые тренировки с максимальной нагрузкой три раза в неделю за 20 недель восстанавливают циркуляцию крови в конечностях до уровня, характерного для людей в возрасте 25–30 лет.
Остеопения
Остеопения в переводе с греческого означает «костная недостаточность». По достижении 30-летнего возраста все женщины и большинство мужчин начинают терять около 1 % костной массы в год. После 40 лет, однако, остеопения у женщин прогрессирует, и ежегодное снижение косной массы уже достигает в среднем 2,5 %, причем основные потери приходятся на позвоночник и тазобедренные кости, из-за чего пожилые женщины часто начинают терять в росте и горбиться; у них резко возрастает риск перелома шейки бедра в результате падения, которое может быть обусловлено саркопенией. Перелом шейки бедра – страшный диагноз для престарелых. В последние годы смертность среди лиц в возрасте старше 70 лет, получивших эту травму, составляла 30 % в течение 12 месяцев после падения и 50 % в течение 18 месяцев после падения.
Силовые упражнения на тренажерах с противовесами помогают повысить устойчивость костных тканей к ударным воздействиям, поскольку чем чаще и интенсивнее мышечные нагрузки, тем больше силового давления передается на кости, что способствует регенерации костной ткани. Кроме того, более накачанные мускулы и сами по себе дают большую постоянную нагрузку на кости, способствуя их упрочнению.
«Нейропения», деградация нервной ткани
Самым страшным из линейно деградирующих с возрастом факторов является необратимое вырождение нейронов мозга. Начиная с 26 лет (или раньше) среднестатистический человек начинает терять 1–2 грамма чистой массы нервных клеток головного мозга в год, а затем этот процесс только прогрессирует, так что после 45 лет потери составляют уже не менее 2–3 г мозговой нейронной массы ежегодно, после 60 лет – не менее 3–4 г за год, после 75 лет – 4–5 г, а после 90 лет – 5–6 г.
Группа исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе обнаружила, что у пожилых людей, страдающих ожирением, масса головного мозга в среднем на 8 % ниже, чем у их ровесников, чья масса тела находится в пределах нормы. Вообще у людей с избыточным весом масса головного мозга в среднем на 4 % меньше, чем у их ровесников с нормальным весом. Ускоренной потере массы мозга способствуют также тревожные, депрессивные и параноидные состояния, психические травмы, разводы, насилие или постоянные негативные эмоциональные переживания. Слепота, глухота, а также утрата способности к передвижению также способствуют усугублению потери мозговой массы.
Доктор Дэниел Амен утверждает, что статистическое исследование 75 000 результатов томографии головного мозга, накопленных в его клиниках, свидетельствует о том, что избыточный вес приводит к снижению массы головного мозга на 4–8 %. Амен указывает, что результаты, полученные в Питтсбургском университете, демонстрируют, что у людей с индексом массы тела (ИМТ) в пределах от 25 до 30 объем головного мозга на 4 % меньше, чем у людей с ИМТ в пределах нормы. Вдобавок головной мозг у обследованных с избыточной массой тела еще и на восемь лет «старше» нормы по своим функциональным характеристикам. А у пациентов, страдающих ожирением (ИМТ > 30), объем мозга ниже нормы на 8 %, а его возрастная деградация на 16 лет опережает усредненный темп старения мозга здорового человека.
Мы обнаружили, что изменения в мозге ведут к изменениям во всем организме. Важно отметить, что нами выявлено снижение умственных способностей, пропорциональное росту массы тела. Чем выше ИМТ, тем меньше объем мозга и тем хуже он функционирует. Пусть эта информация заставит каждого задуматься о [своем] весе… Избыточный жир наводняет организм химическими агентами воспаления, разрушительно действующими на мозг. Мы обнаружили еще и такую закономерность, что чем человек толще, тем меньше лобные доли его головного мозга, а это уже настоящая катастрофа, поскольку именно лобные доли отвечают за мышление и управление всей вашей жизнью!
Доктор Дэниел Амен, Питтсбургский университет
Масса типичного человеческого мозга колеблется в пределах от 1300 до 1500 граммов. При этом, составляя 2–3 % массы человеческого тела, он потребляет 20–25 % усваиваемого организмом кислорода. Интересно, что у новорожденных он поглощает и вовсе до 60 % кислорода, поскольку на раннем этапе развития ему приходится проделывать массу мыслительных операций, аналогичных анализу окружающего мира с позиции байесовских вероятностей и других статистических и стохастических методов сравнительного анализа. Мозг с нуля учится в полной мере задействовать и интерпретировать данные, поступающие от органов чувств.
Результаты исследований Генриетты ван Прааг и ее коллег по Национальным институтам здравоохранения США в популярном изложении Джона Рейти из Гарварда содержат поучительную для нас информацию о том, что после 45 минут бега в темпе, разгоняющем нашу сердечную деятельность до 75 % и более от максимума, увеличивается численность стволовых клеток нервной ткани, преимущественно в гиппокампе. Срок жизни этих новорожденных клеток – около трех недель. Чтобы за это время они успели интегрироваться, «вплестись» в нервную ткань, нам нужно узнать что-то новое. «Нейроны, которые вместе срабатывают, соединяются друг с другом», – говорят об этом нейробиологи.
Одно из самых поразительных открытий, касающихся запуска нейрогенеза физическими нагрузками, касается неравномерного истощения запасов нейронов в различных частях головного мозга. Самое потрясающее и обнадеживающее заключается в том, что именно теряющие больше всего нейронов участки головного мозга активнее и быстрее восстанавливаются за счет появляющихся в гиппокампе стволовых клеток. Достоверность этого эффекта подтверждают уже более десятка независимо проведенных исследований.
Регулярными специальными физическими упражнениями и строгим соблюдением диеты вы способны добиться серьезного улучшения общего состояния своего здоровья и повышения продолжительности жизни. При этом количественный самоконтроль – лишь первый шаг на пути разработки и применения широчайшего спектра будущих инструментов повышения качества и продолжительности нашего существования.
Переосмысление диагностики и лечения заболеваний
Сегодня чуть ли не самые большие споры вызывает сама основа традиционного здравоохранения, а именно – его нацеленность на симптоматическое лечение заболеваний по мере диагностики их проявлений. Вместо того чтобы сосредоточиться на первопричинах большинства проблем со здоровьем, фармацевтическая промышленность и медицина тратят огромные средства и усилия на борьбу с симптомами заболеваний и функциональных расстройств. Отчасти это стало следствием признания нашей неспособности раз и навсегда устранить причины многих известных человечеству болезней. Отчасти, увы, отражает кровную заинтересованность фармацевтических компаний в извлечении прибыли из безостановочного оборота все новых и новых лекарственных средств, прописываемых пациентам для длительных курсов поддерживающей медикаментозной терапии при хронических патологиях. Такой бизнес значительно выгоднее разработки некоей панацеи, навсегда избавляющей от необходимости дальнейшего лечения.
Возьмем, к примеру, онкологические заболевания.
В начале XX века рак развивался у каждого двадцатого, а в конце 1940-х годов – у каждого шестнадцатого жителя планеты. В 1970-х годах, когда президент Никсон объявил раку официальную войну, онкологические заболевания выявлялись уже у каждого десятого. По состоянию на сегодняшний день с раковыми заболеваниями, в той или иной форме, сталкивается на протяжении своей жизни от трети до половины людей. Да, это не ошибка и не опечатка. Распространение онкологических заболеваний за минувшее столетие приняло взрывной характер. Может быть, все не так страшно, и дело лишь в совершенствовании методов диагностики рака? Увы, это не так. Раковые заболевания действительно поражают все больше и больше людей.
Справедливости ради отметим, что показатели выживаемости среди лиц, страдающих целым рядом онкологических заболеваний, за последние десятилетия существенно улучшились и продолжают улучшаться. Эта тенденция, очевидно, необратима и может быть поставлена системам здравоохранения и медицинской науке в заслугу. Однако, судя по показателям прироста и старения населения США, медицинские расходы на профилактику и лечение раковых заболеваний в стране к 2020 году достигнут как минимум 180 млрд долларов, что на 27 % превышает аналогичный показатель за 2010 год. С учетом же текущих тенденций к удорожанию вновь разрабатываемых средств диагностики, лечения и последующей поддерживающей терапии, они могут взлететь и до уровня 207 млрд долларов США в год. По состоянию на 2012 год общее число больных с активными стадиями развития раковых заболеваний в мире оценивалось в 14,1 млн человек, включая 7,4 млн мужчин и 6,7 млн женщин. При сохранении текущих темпов заболеваемости к 2035 году их число достигнет 24 млн, а значит, изыскивать методы борьбы с онкологическими заболеваниями не просто нужно, а срочно нужно! И каковы наши перспективы?
Миирофлюидииа и «лаборатории-на-чипе»
Мы уже упоминали выше в этой главе, что ранняя диагностика – вероятно, первейшая и наиважнейшая вещь с точки зрения улучшения статистики выживаемости и иных показателей эффективности стратегии борьбы с онкологическими заболеваниями в краткосрочной перспективе. В этом плане технологии, конечно же, сыграют ключевую роль. Прекрасным примером этому служит более чем перспективная разработка молодого студента Гарварда.
Рисунок 5.6. Микрофлюидные анализаторы – лишь начало развития неинвазивных диагностических чипов, призванных прийти на смену традиционным клиническим лабораториям
В ноябре 2015 года 18-летний Нил Дэйви был удостоен серебряной медали в категории «Работы студентов младших курсов» на ежегодном Конкурсе студентов-изобретателей, проводимом Национальным залом славы изобретателей, за представленный им научно-исследовательский проект «Ранняя диагностика рака посредством выявления циркулирующих опухолевых клеток методом капельной микрогидродинамики». Этот метод неинвазивной диагностики онкологических заболеваний как раз и являет собой очень характерный пример одной из новых разработок, пышным цветом расцветших благодаря возросшей мощности микропроцессоров и технологиям лабораторной диагностики с использованием сенсорных датчиков на микрочипах.
Придуманный студентом Гарварда метод использует недавно разработанную технологию впрыска микроскопических проб крови в капиллярный канал микрофлюидного анализатора, где кровяные тельца, заключенные в микроскопические капли плазмы, выстраиваются в «колонну по одному». В некоторых из подобных устройств используются образцы размером всего 100 нанометров. Затем Дэйви проводит стандартную для молекулярно-биологического анализа полимеразную цепную реакцию (ПЦР), которая позволяет выделить канцерогенные фрагменты ДНК и получить множество их копий. После этого проба в капиллярном канале облучается лазером, и по показателям яркости определяется, содержит каждая исследуемая капля раковую ДНК или нет.
Преимущество этой технологии – в ее сверхчувствительности, поскольку я могу выявить даже единственную раковую клетку среди миллиардов здоровых кровяных телец… Кроме того, процесс в высшей степени избирательный, поскольку позволяет безошибочно относить выявленную патологию к определенному типу онкологии благодаря амплификации ДНК.
Нил Дэйви, студент Школы инженерно-прикладных наук имени Джона А. Полсона (Гарвардский университет)
До последнего времени единственным безошибочным методом диагностики рака являлась биопсия, а взятие пробы для нее остается процедурой крайне инвазивной, нередко требующей применения хирургии. Микрофлюидная диагностика безопаснее, быстрее, безболезненнее, – и стоит она на порядок дешевле общепринятых на сегодня методов.
В скором времени микрофлюидика кардинально изменит наши представления о медицинской диагностике как таковой. По сути, какие из клинических лабораторных исследований на выявление всех мыслимых патологий ни возьми, – будь то повышенный холестерин или диабет, заболевания почек или печени, дефицит железа и анемия, сердечно-сосудистые заболевания, мочеполовые инфекции, гепатит, ВИЧ и другие вирусные инфекции, – все они основаны на анализе крови, мочи, кала или иных проб тканей или жидкостей организма. Кровь для анализа нередко приходится брать из вены, и в немалом количестве, чтобы получить достоверные результаты. И в этом плане технологические достижения приведут к по-настоящему прорывным изменениям.
Рисунок 5.7. Проба крови для анализатора DMI rHEALTH Tricorder
Хотя последние отзывы о проекте Theranos неоднозначны, это порождение Кремниевой долины стало первой попыткой по-настоящему радикального решения вышеописанной проблемы. В рамках проекта Theranos разработаны методы анализа крови, позволяющие выявлять десятки патологий по нескольким каплям крови, взятым из пальца. В аптечной сети Walgreens на всей территории США теперь достаточно показать провизору документ, удостоверяющий личность, и направление от врача, и можно на месте сдать такой анализ и получить его результаты. При этом по одной пробе может быть проведено сразу несколько исследований, что часто многократно удешевляет анализ по сравнению с традиционной методикой. Стандартное клиническое лабораторное исследование на холестерин, например, в США обходится в среднем в 50 долларов, а на оборудовании Theranos в сети аптек Walgreens за него берут около трех долларов.
Впрочем, зачем нам вообще куда-то ходить – будь то в аптеку, к врачу или в лабораторию? В 2014 году премия Tricorder XPrize, учрежденная Питером Диамандисом и спонсируемая несколькими крупными ИТ-компаниями, включая Nokia и Qualcomm, была присуждена основанной в 2006 году компании DNA Medical Institute (DMI). К тому времени компания получила гранты и поддержку от НАСА, Национальных институтов здравоохранения (NIH), Фонда Билла и Мелинды Гейтс и многих других фондов поддержки развития инновационных технологий. Одной из разработок DMI является устройство rHEALTH (сокращение от Robot – «робот» или Remote – «дистанционное» и Health – «здоровье»).
Рисунок 5.8. Настольный анализатор DMI rHEALTH (источник: DMI и XPrize Foundation)
Рисунок 5.9. Анализатор Scanadu Scout (источник: Scanadu)
Диагностическая система rHEALTH требует от пациента всего одной капли крови. Эту каплю помещают в крошечную пробирку, где проба смешивается с наночастицами и реактивами, после чего полученный коктейль пропускается через спиральный микромиксер и прогоняется сквозь строй лазерных детекторов поглощения и рассеяния света. По выявленным отклонениям от нормы ставится диагноз, с которым можно ознакомиться на смартфоне, к которому через интерфейс Bluetooth подключено устройство.
Сам анализатор rHEALTH пока что выпускается в настольном варианте, но DMI ведет разработку версии наладонного формата.
В целом, говоря о базовых функциях биомониторинга с использованием портативных приборов, тема «трикордера» из «Звездного пути» в новейших разработках всплывает с завидным постоянством. Результатом проекта Scanadu Scout стало устройство, также подключаемое к смартфону, но дающее вам в режиме реального времени значительно более обширную информацию, нежели ставшие уже привычными мониторы сердечного ритма для занимающихся фитнесом.
Scanadu Scout представляет собой систему комплексного неинвазивного биомониторинга физиологических параметров, включая температуру тела, пульс, насыщение крови кислородом и артериальное давление. Для считывания всех показаний достаточно приложить ко лбу небольшой портативный сканер, сигнал с которого незамедлительно поступит на мобильное приложение для обработки и анализа.
В декларации миссии Scanadu исчерпывающим образом сформулирована роль технологии в решении задачи персональной диагностики:
Сделать так, чтобы наше поколение стало последним, которому так мало известно о состоянии собственного здоровья.
Сегодня появились уже и настольные секвенаторы, такие как Illumina MiSeqDx. Самое позднее через 20 лет у каждого человека появится доступ к подобным приборам, мгновенно определяющим индивидуальную структуру ДНК, сравнивающим ее с базой данных известных генетических патологий и диагностирующим практически все риски для здоровья, включая потенциальные наследственные и вирусные заболевания, на клеточном уровне. При наличии у вас каких-либо признаков онкологии, например, этот ручной сканер не просто сможет диагностировать ее тип лучше и точнее любого нынешнего врача-онколога, но и определит последовательность генов в цепочке ДНК ваших раковых клеток в режиме реального времени. Устройство отправит эти данные в правильно выбранную лабораторию где-нибудь на другом конце света, чтобы там синтезировали и изготовили избирательно действующее именно на ваши раковые клетки-мишени индивидуальное лекарство.
Персонализированная и прецизионная медицина
Исследователи Университета Вашингтона в Сент-Луисе не так давно сравнили последовательности ДНК здоровых людей и трех пациентов с меланомой на поздней стадии. Вычленив уникальные мутации в генах клеточных белков у каждого из трех больных, исследователи сумели создать вакцины, способствующие повышенной выработке у пациентов Т-лимфоцитов, убивающих раковые клетки.
Рисунок 5.10. Семь нуклеотидных последовательностей, связанных с развитием рака простаты (источник: Nature Medical Journal, 470, № 7332, февраль 2011 года)
Современные исследования в области персонализированной медицины, конечно же, сфокусированы на анализе генома пациента, но при этом учитываются и дополнительные факторы влияния на его здоровье – экологические, социальные, биометрические и даже религиозные. Только с их учетом подбирается индивидуальная схема лечения в каждом конкретном случае. Таким образом, медицинская наука переживает сегодня фундаментальный сдвиг с позиции подхода к лечению по принципу «это средство подойдет всем» к индивидуальному подбору препаратов по результатам анализа структуры вашей ДНК, биохимического анализа крови и оценки возможных реакций вашего организма на различные химические воздействия при определении дозировок и длительности курсов медикаментозной терапии.
Рассмотрим лишь одну из возможностей подобного рода, касающуюся подбора дозировки и силы препаратов из категории антидепрессантов. Сегодня врачи назначают схемы лечения методом проб и ошибок, неделями наблюдают за пациентами, после чего корректируют состав и дозировку психотропных средств, пока не подберут оптимальную – и то лишь по их мнению.
Основанная на результатах генетического анализа информация позволит врачам подбирать и прописывать пациентам лишь самые действенные лекарства – и в точных дозировках, вытекающих из результатов ДНК-анализа. При таком подходе вместо использования, например, произвольно выбранного селективного ингибитора обратного захвата серотонина можно будет подобрать средство, стимулирующее организм пациента к саморегулированию уровня серотонина (и/или иных нейромедиаторов) в пределах нормы, характерной для его генотипа. Аналогичные прорывы в ближайшее время ожидаются и в категориях обезболивающих, противовоспалительных, противоэпилептических и ряда других лекарственных средств. По мере совершенствования возможностей генетического секвенирования мы начинаем понимать, что знания тканевой локализации онкологического процесса (например, определения заболевания как «рак простаты») недостаточно для безошибочного выбора эффективного лечения. Последние исследования показали, что один и тот же тип ракового заболевания у каждого отдельно взятого пациента может протекать по-разному в силу генетических особенностей организма. Таким образом, индивидуальный подход к подбору лечения – обязательная характеристика медицины будущего.
При этом использование методов прикладной геномики – лишь одна из множества возможностей для создания реально работающей модели персонифицированной медицины. Жизненно важным будет обеспечение доступа медиков к исчерпывающему массиву данных о вас и вашем здоровье, – учитывая медицинский, семейный и наследственный анамнез, все места вашего проживания с указанием точных сроков, воздействий окружающей среды, которым вы регулярно подвергаетесь, все результаты ранее бравшихся у вас анализов, предыдущие реакции вашего организма на различные лекарства и множество другой информации подобного рода. Эти данные будут просто необходимы для целенаправленной и безошибочной диагностики вашего состояния или заболеваний и точного выбора лекарств нацеленного действия. Для успешного повсеместного распространения практики персонифицированной медицины, скорее всего, потребуется открыть врачам общий доступ к централизованным базам данных электронных историй болезни граждан.
Если же вас не устраивает перспектива разглашения медикам данных об имевшихся у вас проблемах со здоровьем, прошлых местах жительства и работы, пройденных курсах лечения и т. п., готовьтесь с этим смириться или отказаться от возможности полноценного лечения, поскольку медицина будущего – это прежде всего генетический анализ, сенсорные датчики и базы данных.
«Биодополнение»
Если вам хочется понять, как именно работает генная терапия и чем она дополняет нашу наследственную биологию, попробуйте мысленно уподобить свой генетический код компьютерной программе. В ваши ДНК вшиты всевозможные командные строки, которые в совокупности и определяют то, чем вы являетесь. И если в наследство от родителей или прародителей нам досталась ДНК, кодирующая недостаточно высокую выработку какого-либо белка, или с генами каких-либо системных нарушений, или с нехваткой генов, препятствующих другим болезням, то мы с высокой вероятностью можем ждать развития наследственно обусловленного заболевания. Если мы научимся «редактировать» этот код и вставлять его обратно в ДНК в «отремонтированном» виде и на правильное место в цепочке, – значит, мы восполнили генетический пробел или, выражаясь более простым языком, исправили ошибку.
Системы редактирования геномов CRISPR/Cas9 и TALEN
В 1987 году биологи обнаружили у бактерий естественный защитный механизм от встраивания вирусов в цепочки ДНК. А в 2000–2002 годах ученые к тому же установили, что бактерия не ограничивается защитной реакцией, а контратакует вторгшийся вирус, перерабатывая и расщепляя его ДНК на составляющие. Этот иммунитет получил название CRISPR – сокращение от английского «clustered regularly interspaced short palindromic repeats» («короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами»).
В период с 2009 по 2012 год исследовались возможности CRISPR разрезать вирусную ДНК белками иммунной системы бактерий. Так был открыт белок Cas9 (сокращение от «CRISPR associated protein 9» – «CRISPR-ассоциированный белок 9»). Он представляет собой не просто белок, а эндонуклеазу то есть фермент, способный вносить в ДНК точечные разрезы. В структуре Cas9 имеются два активных участка (HNH и RuvC), играющих роль биохимических «ножниц» для обеих нитей ДНК. К 2012 году была выработана гипотеза, согласно которой нуклеазу Cas9 можно использовать в качестве инструмента редактирования генома в рамках генной инженерии клеточных культур человека с целью идентификации и вырезания из геномной последовательности участков, программирующих предрасположенность человека к развитию различных наследственных заболеваний, включая болезни Паркинсона и Альцгеймера, диабет, наследственно обусловленные онкологические заболевания (такие, как рак молочной железы), некоторые формы иммунодефицита и т. д. В наши дни исследования в области генной терапии уже перешли в практическую плоскость и сфокусированы на разработке прикладных методов лечения моногенных (то есть обусловленных одним геном) заболеваний.
Технология CRISPR/Cas9 позволяет не только вырезать из ДНК участки, но и вставлять на их место новые последовательности нуклеотидов. Ученые используют искусственно модифицированные вирусы или плазмиды, встраивая их в последовательность ДНК. Инициированный группой ученых Калифорнийского университета в Сан-Франциско проект ставит своей целью использовать технологию CRISPR/Cas9 для вырезания вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) из ДНК Т-лимфоцитов. При проникновении ВИЧ-инфекции в кровь вирус поражает Т-лимфоциты, играющие ключевую роль в поддержании иммунитета, внедряясь в структуру их ДНК. По мере совершенствования процедуры редактирования клеточного генома с использованием нуклеазы Cas9 исследователям уже удалось успешно отредактировать пораженные ВИЧ гены CXCR4 и PD-1 Т-лимфоцитов, заменив их донорскими генами, взятыми из здоровых клеток. Ранее для поддержания иммунитета ВИЧ-инфицированных пациентов использовались модифицированные стволовые клетки Т-лимфоцитов, взятые у здоровых доноров. Теперь случился настоящий прорыв – и исследователям впервые удалось удалить ВИЧ как таковой из уже инфицированных Т-клеток. Альтернативный метод генной терапии успешно апробирован в Филадельфии, где ученые научились подавлять распространение вируса в крови ВИЧ-инфицированных пациентов за счет удаления из геномной последовательности их Т-лимфоцитов белка CCR-5 – также методами генной терапии.
В марте 2015 года китайские ученые объявили об успешном применении технологии CRISPR/Cas9 для исправления гена, обусловливающего развитие β-талассемии, потенциально смертельного наследственного заболевания крови, у нежизнеспособных человеческих эмбрионов. В ходе этого эксперимента 86 зиготам были сделаны инъекции, а спустя 48 часов были повторно замерены показатели их жизнеспособности. Этого было достаточно, чтобы система CRISPR/Cas9 заменила дефектную ДНК, чтобы нормальный код начал работать, а эмбрионы начали деление вплоть до размера в восемь клеток. Из 86 эмбрионов процедуру перенес 71, из них 54 были подвергнуты генетическому анализу. Оказалось, что правильные разрезы в ДНК были внесены только у 28 эмбрионов, а замена гена на нормальную копию прошла лишь в нескольких.
Результаты, подобные вышеописанному, не только поднимают фундаментальные вопросы этичности подобных исследований и делают технологию CRISPR уязвимой для критики, но и указывают на то, что генная инженерия все еще не является, строго говоря, точной наукой. Для реально успешного применения методов генной терапии вмешательство должно быть предельно избирательным и исключать всякую возможность ошибки и повреждения генома. В этом плане наиболее перспективной представляется самая последняя разработка генных инженеров – система TALEN (сокращение от «Transcription Activator like Effector Nucleases» – «эффекторные нуклеазы, подобные активаторам транскрипции»), позволяющая минимизировать нецелевое встраивание редактирующих белков в структуру ДНК, не нуждающихся в исправлении. Этот метод открывает перед учеными значительно большую свободу действий в плане синтеза белков, предназначенных для модификации ДНК, и гарантирует их избирательное и строго целевое воздействие на геном в долгосрочной перспективе.
Какая бы из технологий в итоге ни привела к долгожданному прорыву, к которому так стремятся ученые, методы генной инженерии в ближайшее десятилетие будут кардинально усовершенствованы и станут стандартным средством лечения наследственных, генетически обусловленных заболеваний и патологий. Нам больше не придется лечить симптоматические проявления болезней. Вместо этого мы будем устранять их на клеточном уровне.
Ближайшие перспективы применения генной терапии (2020–2030)
Начало практического применения генной терапии не за горами и сулит нам ошеломляющие и просто революционные перспективы. Разработки в этой области ведутся столь интенсивными темпами, что сообщения о новых достижениях и открытиях ученых появляются чуть ли не еженедельно. На момент публикации этой книги значительный прогресс был достигнут в области применения методов генной терапии для улучшения состояния пациентов или потенциально полного их излечения при следующих генетически обусловленных заболеваниях и расстройствах (перечислены лишь самые значимые достижения).
1. Слух: глухота, возрастная потеря слуха, тиннитус, болезнь Меньера.
2. Зрение: врожденная и приобретенная слепота различной этиологии, включая амавроз Лебера, наследственную ретинопатию и хороиридеремию.
3. Наследственные, генетические и аутоиммунные заболевания: нервно-мышечные и дисфункции, включая дистрофию мышц, боковой амиотрофический склероз, миастению тазового и плечевого мышечного пояса (вызывается пороком гена DOK 7), мышечную дистрофию Эмери – Дрейфуса, спинальную мышечную атрофию и миотубулярную миопатию, а также прогрессирующие возрастные неврологические заболевания, включая болезни Паркинсона, Альцгеймера и атаксию Фридрейха. Даже депрессия, оказывается, поддается лечению посредством восполнения дефицита белка p11 в тканях головного мозга.
4. Онкологические и гематологические заболевания: лейкемия, острый миелоидный лейкоз, глиома, рак поджелудочной железы, рак печени, гемофилия, серповидноклеточная анемия.
5. ВИЧ/СПИД: исследования показали, что удаление генов белка-рецептора CCR-5 из структуры ДНК лейкоцитов приводит к выработке у пациентов устойчивого иммунитета к ВИЧ-инфекции.
6. Сердечно-сосудистые и легочные заболевания: острая сердечная недостаточность, повышенный уровень кальция, застойная сердечная недостаточность, заболевания периферических артерий, муковисцидоз, дефицит альфа-антитрипсина, астма, дыхательная недостаточность, отек легких.
Генная терапия поможет нам исправлять ошибки в наших ДНК и за счет этого побеждать наследственные болезни и врожденные нарушения. Возможности в этом плане открываются потрясающие, а главное – вполне достижимые средствами современной науки. Сочетание методов генной инженерии и терапии с использованием стволовых клеток, сенсорного мониторинга и других средств онлайнового отслеживания состояния нашего здоровья позволит нам фактически поставить болезни и их лечение под небывалый по полноте контроль. Вполне вероятно, что за ближайшие 20 лет будет достигнут больший прогресс в диагностике и лечении заболеваний, чем за все предыдущее столетие развития современной медицины. К 2030 году общедоступность продвинутых медицинских технологий и средств генной терапии потенциально может привести к продлению ожидаемой продолжительности жизни граждан развитых стран на 20–30 лет относительно современного уровня.
Пересадка трансгенных органов (2025–2040)
Разумно предположить, что, по доведении до совершенства методов редактирования генома, следующим шагом на пути медико-биологических исследований станет усовершенствование наших ДНК. Трансгенез (генетическая модификация или генная модификация) – внесение в организм чужеродных генов – уже продемонстрировал весьма многообещающие результаты в области гибридизации человека и животных. И хотя проблема этичности внесения ДНК животного в организм человека очевидна, использование фрагментов человеческой ДНК в животных ограничивается не столь жестко.
Первым успешным продуктом трансгенной инженерии стала выведенная в 1982 году «супермышь» с внедренным на зародышевой стадии геном гормона роста человека. Следом были успешно получены трансгенные кролики, свиньи, козы, овцы, рыбы, коровы – и, наконец, приматы. Если не вдаваться в излишние подробности, основополагающий принцип трансгенеза – внедрение в организм модифицируемого животного чужеродного гена или генов (так называемых трансгенов). При этом новые гены «должны внедряться в зародышевую линию клеток, чтобы все без исключения клетки животного содержали один и тот же модифицированный генетически материал».
Возьмем следующие примеры. Генномодифицированные (ГМ) лососевые растут в 10–11 раз быстрее обычных благодаря внедрению в их геном фрагмента, обеспечивающего ускоренную выработку гормонов роста, а ГМ-рыбки данио светятся в темноте благодаря внедрению в их ДНК гена флуоресцентного белка, заимствованного у медузы. Полученные на сегодняшний день линии трансгенных мышей включают животных с встроенными в ДНК генами белков-предшественников β-амилоида, накопление которого вызывает развитие у человека болезни Альцгеймера, – а также мышей с повышенным количеством синаптических рецепторов, связанных с геном протеина NR2B и, как следствие, повышенной способностью к обучению на протяжении всей жизни. ГМ-свиньи, возможно, в будущем позволят выращивать в своем организме пригодные для пересадки с минимальным риском отторжения сердца, легкие, почки и т. п. Молоко трансгенных коров содержит лактоферрин и интерфероны, полностью идентичные содержащимся в грудном материнском молоке, а неспособные к синтезу белка-предшественника приона животные делаются неуязвимыми для коровьего бешенства. Методами трансгенной инженерии выведены даже козы, в молоке которых содержатся волокна паутинного шелка!
Использование генетически модифицированных культур в сельском хозяйстве сулит человечеству огромную пользу, позволяя обеспечить продовольственную безопасность за счет повышения урожайности и устойчивости генномодифицированных видов и сортов к заболеваниям, что как нельзя более кстати при глобальных климатических изменениях.
Трансгенные технологии, позволяющие передавать гены одного вида растений другому и выводить новые сорта с улучшенными характеристиками, – самое многообещающее направление развития в плане обеспечения продовольственной безопасности на ближайшие 15–20 лет.
Из доклада Национального совета по разведке «Глобальные тенденции 2030: альтернативные миры», 2012 год
Трансгенные технологии, позволяющие составлять «коктейли» из свойственных человеку и животным характеристик на генетическом уровне, со временем приведут к созданию широчайшего спектра самых причудливых гибридов. Ведь нам есть чему позавидовать, если внимательнее присмотреться к способностям и возможностям «бессловесных тварей». Собаки обладают гораздо лучшим обонянием, чем мы; кошки – способностью видеть в темноте; некоторые приматы – более точной памятью, а птицы – более острым зрением. Заглядывая вперед, в те дни, когда мы сможем применять трансгенные технологии к самим себе, многие, вероятно, представят себе генетически модифицированного человека как некое собирательное существо, объединившее в себе все максимально реализованные у других существ возможности: зрение как у орла, регенерация тканей как у ящерицы, плавательные способности как у дельфина и способность задерживать дыхание под водой как у крокодила…
В марсианской трилогии Кима Стенли Робертсона предлагается вносить в ДНК людей-колонистов гены животных как часть регулярных процедур, направленных на продление жизни (которые были, по сути, корректирующей генной терапией, направленной на исправление ошибок в геноме и восстановление теломер). Одна из героинь этого научно-фантастического эпоса по такому случаю добавила себе «ген мурлыканья». Кроме того, рассматривалась теоретическая возможность генетического перепрограммирования организма человека с использованием геномной последовательности крокодила, отвечающей за выработку гемоглобина и избавляющей от негативных последствий пока еще неизбежного на Марсе кислородного голодания и избытка CO2.
Успехи синтетической биологии, вероятно, скоро приведут к началу промышленного производства новых средств диагностики и лечения заболеваний. При этом параллельным курсом и, надо полагать, не меньшими темпами будут вестись разработки в области регенеративной медицины. К примеру, выращивание искусственных органов для трансплантации (как минимум – почек и печени) начнется, по прогнозам, к 2030 году.
Рисунок 5.11. 3D-печать уже используется для получения имплантатов – заменителей разрушенных фрагментов костной ткани при реконструкции черепа (источник: Osteofab)
Трехмерная биопечать
Как уже было сказано в главе 2, 3D-печать имеет неимоверно широкий спектр будущих возможностей прикладного использования как в промышленности, так и в быту. Тут мы, однако, остановимся чуть подробнее лишь на одном многообещающем ее применении – биопечати. Технология позволяет воспроизвести на 3D-принтере орган, кость или ткань (например, мышечную) и заменить ею поврежденную или утраченную. Одна из самых захватывающих перспектив – применение подобных методов в регенеративной медицине для замещения поврежденных или утраченных тканей и органов. При хирургической реконструкции лица технология 3D-печати широко используется уже сегодня.
По сравнению с небиологическими технологиями 3D-печати биопечать, конечно, сопряжена с дополнительными трудностями, обусловленными, в частности, необходимостью подбора биосовместимых материалов, видов клеток, использования специфических факторов роста и дифференциации. Есть и технические проблемы, связанные с чувствительностью живых клеток, структурированием тканей и сосудов.
Решение этих отнюдь не простых задач требует комплексного подхода с использованием технологий из столь разных отраслей, как техническая и биоинженерия, молекулярная и цитобиология, физика и медицина. Тем не менее технология трехмерной биопечати уже успешно апробирована при трансплантации нескольких видов тканей, включая многослойную кожную, костную, сосудистую (при шунтировании), трахейную, сердечную и хрящевую. Другие применения трехмерной печати включают высокопроизводительное моделирование тканей для научно-исследовательских нужд, испытаний новых лекарств и токсикологических исследований.
3D-печать уже нашла практическое применение при проведении ряда широко распространенных медицинских процедур. Например, в 2012 году врачи Мичиганского университета успешно использовали этот метод для реконструкции трахеи трехмесячного пациента, страдавшего регулярно повторявшимися спазмами дыхательных путей. Другие практические достижения включают примеры успешной распечатки и пересадки челюстного протеза и фрагмента черепной кости (у двух разных пациентов). В экономическом плане трехмерная печать имплантатов представляет собою бурно развивающуюся отрасль и уже принесла компаниям-«первопечатникам» свыше 500 млн долларов доходов в мировом масштабе по итогам 2014 года, а к 2016 году эта цифра, согласно прогнозам, удвоится.
В 2006 году профессор Энтони Атала из Университета Уэйк-Форест в Северной Каролине использовал струйный принтер для «выращивания» имплантатов мочевого пузыря. Биопечать органа для пациента начиналась с забора клеток мышц и стенки кишечника. Эти клетки выращивались в лаборатории, пока не набиралось достаточное количество для помещения в специальный каркас, структура которого имитирует структуру мочевого пузыря. По мере роста живой ткани каркас рассасывался, а затем готовый орган пересаживался пациенту. Последующие анализы показали, что такие искусственные мочевые пузыри функционируют не хуже восстановленных хирургически с помощью тканей кишечника и не ведут к развитию побочных эффектов. Все пациенты, перенесшие эту операцию, живы и здоровы и по сей день. Другими перспективными кандидатами на замену методами регенеративной медицины и 3D-печати являются щитовидная железа, почки и печень. Профессор Атала, отметим, добрался уже и до создания искусственных «мини-сердец» размером пока лишь 0,25 мм – за счет перепрограммирования клеток кожи в клетки сердечной мышцы и их выращивания в клеточной культуре. 3D-печать использовалась для создания органа нужной формы и размера. Наконец, в марте 2015 года российская биотехнологическая компания из Сколково отчиталась об успешной трансплантации подопытной мыши «печатной» щитовидной железы и пообещала развить этот успех до масштабов 3D-печати человеческих почек не позднее 2018 года.
Осуществив все эти биомедицинские усовершенствования, мы, вероятно, лет через 30–40 станем в буквальном смысле инженерами-разработчиками «совершенного человеческого существа». Во всяком случае, многие люди получат возможность избавиться от заложенных в их генетическом коде ошибок и продлить свою жизнь. А медицинское сообщество научится бороться с раком и иными наследственными и генетически обусловленными заболеваниями на уровне индивидуального генома, а также корректировать наше здоровье, избирательно воздействуя на клетки и органы. Понятно, что все это звучит как нечто из области научной фантастики, но до практической реализации многих из этих технологий – рукой подать.
