ИИ и сотрудничество с человеком для внедрения iPS в общество: разработка персонализированной медицины и лекарств на основе огромных массивов данных

Связка ИИ и iPS-клеток как ключ к «долгой и счастливой жизни»

Мы продвигаемся к будущему, в котором люди не будут страдать от заболеваний: каждый сможет насладиться долголетием в здоровом состоянии. Воплощение этой перспективы сильно изменит наш подход к контролю собственного здоровья.

К примеру, постоянная регистрация через носимые устройства, например, через смарт-часы, сведений о пульсе, фазах бодрствования и сна, а также прочих данных и их анализ искусственным интеллектом облегчают задачу по поддержанию здорового состояния организма путем прогнозирования вероятных в нем будущих изменений и рисков для здоровья, за которым следует изменение бытовых привычек и реагирование медицинскими средствами прежде, чем недуги себя проявят. С другой стороны, есть болезни, а также травмы, которые невозможно спрогнозировать, проконтролировать или избежать. В борьбе против этого «последнего бастиона» большие ожидания возлагают на регенеративную медицину с использованием индуцируемых плюрипотентных стволовых клеток (iPS-клеток).

Речь идет о клетках организма, в частности, кожи или крови, которые перепрограммируют путем внесения в них небольшого количества генов и возвращения клеток в их изначальное состояние, из которого эти iPS-клетки могут преобразовываться в клетки разных тканей организма. С тех пор, как профессор Киотского университета Яманака Синъя добился успеха в создании iPS-клеток мышей, уже исполняется 20 лет. Исследователи и производители лекарство по всему миру ведут ожесточенное соперничество, стремясь путем применения iPS-клеток восстанавливать функции организма, которых человек оказывается лишен из-за болезней или травм.

Профессор Каваками, пользуясь своим талантом к математике, занимается медицинскими исследованиями с применением математических методов, задействуя искусственный интеллект и глубинное обучение. Даже при одинаковом диагнозе то или иное лекарство на каких-то людей действует, а на каких-то нет. При этом в последние годы, с одной стороны, среди пациентов, у которых рак выявляют на ранней стадии, увеличивается число тех, кто сталкивается с рецидивом болезни, а с другой стороны, имеется все больше примеров, когда людям, у которых рак выявлен на поздней стадии, успешно удается продлить жизнь на много лет без рецидивов недуга.

В НИИ RIKEN профессор находится на самом переднем крае исследований, возглавляя группу «Особый проект предикативной медицины». Проект ставит целью реализацию медицинского обслуживания, полностью предотвращающего развитие болезней через использование медицинских наук в сочетании с искусственным интеллектом.

«Жить долго и счастливо, а закончить жизненный путь без особых страданий. Уверен, что реализовать медицину, которая будет поддерживать такой образ жизни, вполне возможно. Конечно, сделать это в короткие сроки – за пять или десять лет – затруднительно, но примерно к 2050 году такая перспектива уже вполне реальна», – отмечает профессор.

Текущее состояние связки «ИИ + iPS»

Насколько далеко продвинулись на данный момент исследования медицины iPS-клеток с использованием искусственного интеллекта?

Группы исследователей, и в первую очередь Epistra, которая занимается разработкой искусственного интеллекта в области медицины (базируется в токийском районе Синагава), в июне 2022 года объявили об успехе в разработке системы «оптимизации» за счет искусственного интеллекта автоматического поиска в большом объеме условий для культивирования клеток, используемых для iPS и других направлений регенеративной медицины.

До сих пор в культивировании клеток приходилось полагаться по большей части на опыт и чутье набивших руку исследователей. Стабильное и эффективное производство клеток высокого качества было трудной задачей. А теперь это исследование внедрило робот для проведения опытов «Махоро» и программное обеспечение для анализа данных искусственным интеллектом Epistra Accelerate. Искусственный интеллект выбирает температуру и другие условия культивации, а робот выполняет задачу культивирования клеток соответственно полученным указаниям. Результаты этого процесса анализируются, после чего определяются условия, которые следует опробовать в следующем опыте. Повторение этого цикла очевидно сокращает число попыток и позволяет с высокой эффективностью получать клетки более высокого качества.

Робот «Махоро» за культивированием iPS-клеток (НИИ RIKEN, район Тюо города Кобэ)

«В последнее время так называемая «технология оптимизации», ядром которой выступает технология искусственного интеллекта, начинает играть все более важную роль в биологических науках. Реализацию необходимых для производства iPS-клеток четырех факторов – так называемых «факторов Яманаки» в прошлом осуществили через практический поиск среди колоссального количества возможных опций. Создание iPS-клеток – это один из примеров, теперь такая же ситуация «сложного поиска условий» возникает и при культивировании клеток, используемых в регенеративной медицине. Используемые в регенеративной медицине клетки сильно отличаются свойствами в зависимости от таких факторов, как задействованные гены, белки и прочие, а также последовательности выполнения действий. Технология оптимизации с применением искусственного интеллекта позволила нам более эффективно приходить к результатам в поиске условий, который отнимает массу времени и усилий».

Регенеративную медицину не реализовать без стабильного производства пересаживаемых пациенту клеток в больших объемах клеток с высоким качеством. Система, сочетающая ИИ и робота, привлекает внимание как технологическое решение, которое избавляет от отличий при выполнения той или иной рабочей операции и позволяет рассчитывать на снижение затрат времени и производственных издержек. Таким образом, эта система помогает в реализации общества широкого распространения регенеративной медицины на основе iPS-клеток.

Исследовательский центр искусственного интеллекта Университета Тиба

«Об использовании роботов я задумывался и раньше. Примерно 15 лет назад, в ходе исследований по размножению вируса гриппа, когда приходилось раз за разом выполнять огромное количество опытов, расходуя сотнями коробок приспособления для работы с ничтожно малым количеством жидкости, я отчетливо ощутил: «Эта работа не для человека». Рукам человека очень трудно действовать, совершенно одинаково соблюдая условия одной и той же операции на протяжении длительного времени, и уж тем более при таких деликатных манипуляциях, как работа с клетками. А если использовать для этого робота, то одинаковые движения можно повторять совершенно точно. Я считаю, что привлечение к выполнению опытов, роботов, равно как и искусственного интеллекта, чрезвычайно эффективно для медицины iPS-клеток».

Данный подход, по сути, представляет собой постепенный переход в медицине iPS-клеток от навыков, заключенных в руках уникальных специалистов, к вполне воспроизводимой технологии.

Развитие «персонифицированной медицины»: подбор метода лечения под конкретного пациента

В исследованиях так называемых «органоидов», которые производятся в основном из iPS-клеток, в последние годы тоже происходит значительный прогресс. Органоиды – это трехмерные структуры диаметром в несколько миллиметров, воспроизводящие небольшую часть структуры и функций органов живого организма. Их еще называют «органами в миниатюре» за близость как видом, так и свойствами, к человеческим органам.

Поскольку органоиды можно воспроизводить вне человеческого организма с сохранением всех особенностей клеток человека, их используют в исследованиях по «моделированию болезней» – для подробного выяснения механизма возникновения и развития болезней в человеческом организме. Кроме того, они очень полезны и в исследованиях так называемой «персонифицированной медицины» – поиске лекарств, действенных против конкретного случая заболевания, а также методов лечения, наиболее подходящих данному пациенту, особенностям его организма и стадии развития недуга.

Конкретным примером служит работа исследовательской группы, главным образом, из Токийского института наук, которая использовала органоиды почек, изготовленные из iPS-клеток. Она создала органоиды с генным нарушением, вызывающим неизлечимое почечное заболевание – нефронофтиз, и путем сравнения с нормальными тканями обнаружила молекулярную аномалию, связанную с фиброзом – рубцеванием тканей при данном заболевании. При этом было найдено лекарство, подавляющее данную аномалию, что открывает путь к новому методу лечения.

Такие исследования органоидов, получаемых из iPS-клеток, привлекают внимание и в ревю, обобщающих научные публикации последних лет. Идет обсуждение возможностей прогресса в создании лекарств и персонифицированной медицине за счет сочетания анализа изображений с использованием искусственного интеллекта с так называемым «анализом данных омикс» – комплексного анализа биомолекул различных классов – генов, белков и прочих. Искусственный интеллект начинает выступать в связке с исследованиями органоидов.

Профессор Каваками рассказал, что он тоже планирует приступить к новым исследованиям вместе с профессором Осакского университета Такэбэ Таканори, который известен как первопроходец в исследованиях органоидов. Исследования органоидов дают необычайно сложные данные о трехмерной структуре, генетических сдвигах, изменениях с течением времени и т. п. Каваками прокомментировал роль искусственного интеллекта, постепенно внедряемого в исследования органоидов.

«Большая разница между искусственным интеллектом и человеком – в когнитивных способностях. Человеку интуитивно понятны простые структуры, воспринимаемые зрением, а ИИ позволяет анализировать, не нарушая устройства, сложные трехмерные структуры органоидов, изменяющиеся с течением времени. Эта технология срабатывает как раз в работе с теми данными, разобраться в которых человеку не под силу, в частности, в исследованиях органоидов. Думаю, что привлечение искусственного интеллекта к выводам и решениям, которые прежде опирались на опыт и чутье исследователя, ведет нас к созданию новых лекарств и развитию персонифицированного лечения».

Роль идущего путем проб и ошибок продолжит исполнять человек

Проникновение искусственного интеллекта, обладающего такими замечательными особенностями, в самые разные сферы деятельности общества, ставит вопрос о том, какую роль предстоит играть в дальнейшем человеку. Профессор Каваками поделился своим мнением на этот счет:

«Хотя утверждают, что искусственный интеллект в сравнении с человеком обладает лучшими знаниями и более высокой способностью их перерабатывать, на самом деле все его способности проявляются лишь тогда, когда человек задает ему «направление» и ставит перед ним «вопросы». Если давать ему думать самостоятельно, без указаний, не стоит рассчитывать на хороший результат. К какому обществу нам идти? Важная роль человека будет и дальше состоять в том, чтобы задавать направление движения, предлагать «дизайн» будущего общества».

Появляются искусственные интеллекты широкого применения, такие как ChatGPT, есть прогресс и в реализации автономности ИИ. С другой стороны, по крайней мере, на данный момент, мы еще не дошли до этапа, когда искусственному интеллекту можно поручить целеполагание или принятие ценностных решений – ИИ еще не является полностью самостоятельным существом. В этой ситуации появляется еще одна роль, которую может брат на себя только человек.

«Чего искусственному интеллекту решительно не хватает – так это «телесности». Поскольку искусственный интеллект бесплотен, он не может непосредственно работать в реальном мире и ощущать результаты своей работы «на себе». Опираясь на данные, он прогнозирует: «Должно быть так-то и так-то», но проверить «на себе», какие результаты он порождает в реальном мире, скорректировать эти результаты с учетом неудач, – ему не под силу. Полагаю, что человеку будет и дальше играть роль идущего путем проб и ошибок, собственными руками воздействуя на среду самому ощущая происходящие изменения».

Итак, человек ставит вопросы, берет на себя ответственность и принимает решения в реальном мире, а искусственный интеллект обрабатывает колоссальный объем данных и делает сложные прогнозы. Не вызывает сомнений то, что углубление этого сотрудничества раскрывает перед нами будущее, сулящее возможность не только излечивать болезни еще до их проявления, но и оставаться в добром здравии до заката дней, чтобы прожить жизнь по-своему до самого конца.

Подготовка материала и текст: Сугихара Юка и Огоси Хироси – группа «Паскаль», пишущая на научные темы.

Помощь в редактировании: акционерная компания POWER NEWS
Фотография к заголовку и фотографии в тексте (за исключением снимка робота «Махоро»): Ёкодзэки Кадзухиро