Přežije lidstvo díky trikordérům?

Život člověka někdy visí na vlásku. V budoucnu to však budou možná mikrofluidní kanálky čipů. Technologické startupy a prestižní laboratoře vyvíjejí jednoduché mobilní aplikace, které zlepšují životní komfort člověka a umožňují diagnostikovat nemoci nebo je dokonce léčit. Vytvářejí plíce a játra na čipech nebo pracují s komplexními biochemickými laboratořemi o velikosti čipů.

Rychlý rozvoj mobilních technologií ovlivňuje i další odvětví jako medicínu, biotechnologie a biochemii. Podle Research2Guidance, mobilní zdravotní aplikace používá celosvětově až 30 % všech uživatelů chytrých telefonů, tedy půl miliardy lidí. Odhad eMarketer pro rok 2016 říká, že počet uživatelů chytrých telefonů stoupne na více než dvě miliardy a v roce 2018 překročí 2,5 miliardy. Tedy minimálně třetina těchto uživatel´ů chytrých telefonů bude používat speciální aplikace určené pro diagnostiku přinejmenším ve stejné, ne-li zvýšené míře, propojovat se na dálku s ošetřujícími lékaři a medicínskými zařízeními.

Přežije lidstvo díky trikordérům?

Nemocnice na kraji digitálního města

Podle květnových výsledků průzkumu Research2Guidance ve spolupráci HIMSS Europe, kteří dotazovali 5 000 evropských vývojářů, zdravotnických profesionálů a lékařů v oblasti digitálního zdravotnictví, představuje pět největších trhů pro mobilní zdravotní aplikace Dánsko, Finsko, Nizozemsko, Švédsko a Velká Británie (tuto zemi označilo jako nejvýznamnější trh až 55 % dotazovaných). Respondenti zmíněnou pětici vybrali na základě expertního posouzení ze seznamu 28 evropských zemí. Mezi nejvýznamnější faktory, které ovlivnily výsledné skóre, patřilo přijetí digitální zdravotní péče, stupeň digitalizace, velikost trhu a výdajů na zdravotnictví, snadné zahájení podnikání a regulační rámec digitální zdravotní péče. Důležitou roli sehrály rovněž pozitivní přístup lékařů vůči používání moderních technologií a zařazení digitální zdravotní péče do léčby pacientů.

Ještě více než v západní Evropě, jsou zdravotní aplikace v chytrých telefonech populární v Severní Americe. Není divu. Šetří čas a peníze, v konečném důsledku zdraví enormně vytíženým zaměstnancům, rodičům nemocných dětí i osamoceným seniorům. V dnešní zrychlené době poskytují uživatelům moderních technologií standardní zdravotnické služby zaměřené primárně na prevenci onemocnění, vzdálenou diagnostiku a léčbu nepříliš komplikovaných nemocí, nebo také komfort špičkových lékařů. Nejpoužívanější mobilní zdravotní aplikace současnosti poskytují především informace o léčivech a jejich dávkování, evidují zdravotní stav uživatele a ukládají informace do personalizované databáze, tyto umožňují sdílet s ošetřujícím lékařem, identifikují případné potíže a přivolají pomoc. Umí jednoduše změřit srdeční tep a lidskou teplotu, vysvětlit působení léků. A zároveň být tou nejmenší profesionální laboratoří a lékařskou ordinací, které lze schovat do lidské dlaně.

Chytré aplikace

Micromedex Drug Information je jednoduchá farmaceutická mobilní aplikace. Umožňuje vyhledat název konkrétního léku, zjistit, jak ho užívat a seznámit se s případnými vedlejšími účinky. Funguje i reverzně, podle typu potíží lze najít doporučení vhodných léků, počínaje běžnou chřipkou až po boj s parazity. Micromedex Drug Information jde do hloubky, zároveň není komplikovaný. Každý uživatel může rychle najít to, co hledá, ať se jedná o správné dávkování léčiv nebo zdravotnická doporučení.

Dalším podobným příkladem jsou aplikace Epocrates, Johns Hopkins ABX Guide, Medscape a MediSafe. Epocrates svým uživatelům nabízí rozsáhlou databázi informací o léčivech na předpis a jejich vedlejších účincích. Navíc jim ale dovoluje kontaktovat výrobce léku, najít lékárnu, která ho má naskladněný nebo zjistit, jestli je hrazený v rámci pojištění. Podobně díky Johns Hopkins ABX Guide uživatel vyhledá informace o lécích (doporučeném dávkování, vedlejších účincích a dalších omezeních souvisejících s jejich užíváním, včetně rad, zdali je tento lék vhodný pro jeho životní styl) a informace o léčebných postupech týkajících se různých onemocnění. Medscape kromě informací o léčivech obsahuje také databázi lékařů s možností vyhledávání. MediSafe ocení především rodiče, senioři a chroničtí zapomnětlivci – díky ní si budou vést detailní přehled o užívaných lécích, sdílet upozornění o dávkování a další informace se svými nejbližšími.

Stále větší oblibě se těší CareZone, personalizovaná mobilní zdravotní aplikace. Kromě seznamu užívaných léků a jejich dávkování lze dokumentovat symptomy onemocnění, tyto následně sdílet s praktickým lékařem. Obsahuje také individuální zdravotní tipy, jejím prostřednictvím lze vytvářet úkoly a ukládat důležité dokumenty. Majitel chytrého telefonu ovšem nemusí být ani nemocný, ani hypochondr, aby používal MyChart – zdravotní záznamy v telefonu. Jejich prostřednictvím kdykoli a kdekoli rychle zjistí, která očkování kdy absolvoval, kdy naposledy navštívil lékaře a jaké léky by měl užívat. MyChart lze použít i pro komunikaci s ošetřujícím lékařem nebo medicínským zařízením, pro posílání dotazů a sjednání si návštěvy. A pokud si chce sjednat ošetření u lékaře bez zdlouhavé komunikace s personálem na recepcích zdravotních zařízení, může použít také další alternativu, rezervační on-line systém ZocDoc. Tato jednoduchá aplikace najde lékaře v nejbližším okolí, včetně informací (doporučení) od ostatních uživatelů, zajistí termín ošetření a nastaví připomenutí do kalendáře.

Významnou součástí života lidí ve vyspělých krajinách jsou aplikace podporující zdravý životní styl a snížení obezity. Cholesterol Tracker poskytuje detailní přehled a kompletní řízení zdravotního stavu člověka. TactioHealth umožňuje zaznamenávat a sledovat krevní tlak, glukózu, hmotnost, tělesný tuk, energetický příjem a výdej (počet kroků), tedy celkový zdravotní stav člověka. HeartRate díky kameře na chytrém telefonu bleskově změří srdeční tep pacientům s kardiovaskulárním onemocněním, studentům před zkouškou nebo běžcům. Mezi další mobilní zdravotní aplikace pro prevenci onemocnění, patří Skin-Vision a GlassesOff. Zatímco Skin-Vision dokáže upozornit na rakovinu kůže, GlassesOff prověří zrak a zlepší případné vady prostřednictvím specializovaných každodenních cvičení.

Inspiraci pro české vývojáře může představovat Doximity, kombinaci mobilní a webové platformy určené pouze pro pracovníky z oblasti zdravotnictví. Zdroj: Doximity

Především pro lékaře, studenty medicíny a zdravotnické profesionály je určena aplikace UpToDate. Poskytuje informace o novinkách, paralelně umožňuje tematické vyhledávání informací o konkrétních tématech, jejich označení a zasílání na e-mail nebo diskusi s dalšími odborníky. Dalším obdobným příkladem je Omnio, jenž jako zajímavý zdroj přelomových novinek a výsledků výzkumu slouží jak profesionálům, tak pacientům hledajícím inovativní možnosti léčby více či méně komplikovaných onemocnění. Nejrozšířenější síť profesionálů v oblasti zdravotnictví zastupuje ve Spojených státech Doximity. Jedná se o kombinaci mobilní a webové platformy, která svým uživatelům nabízí zabezpečenou komunikaci (podle standardů HIPPA), elektronické faxování, přehled o vybraných novinkách z oblasti medicíny, zároveň systém plánování a řízení kariéry.

Zatímco používání mobilních zdravotních aplikací umožňuje bezprostřední kontakt mezi pacientem a lékařem kdekoli a kdykoli, snižuje náklady na běžnou zdravotní péči, nelze popřít, že s sebou přináší také mnohá rizika. Počínaje úzkým zaměřením pouze na uživatele chytrých telefonů přes kolísavou kvalitu zdravotní péče na dálku až po nejvýznamnější riziko související s narušením ochrany dat a soukromí pacientů.

Trikordéry pro pozemšťany

Takzvaný Trikordér znají bezesporu všichni skalní příznivci známého amerického science-fiction seriálu Star Trek. Jedná se o univerzální příruční multifunkční zařízení, které slouží k rychlému získávání, analýze a ukládání třech typů dat (geologických, biologických a meteorologických). Zároveň o technologii, sekterou se možná potkáme i v naší realitě. Ve Spojených státech byla vyhlášena globální soutěž Qualcomm Tricorder XPRIZE, která běží od roku 2011. Jeden z deseti finalistů, kterému se nakonec podaří vytvořit trikordér pro obyvatele planety Země, může počítat s hlavní výhrou sedm milionů dolarů. Ve Star Treku byl trikordér kromě inženýrských účelů hojně využíván jako specializovaný medicínský přístroj. Chytré telefony se s jedinečnými schopnostmi a stoupající technologickou vyspělostí k jeho dokonalosti přibližují razantním tempem, stejně tak jako variabilitou jejich využití. O rostoucí masové výrobě a penetraci, cenové dostupnosti a pokrytí digitálním signálem nemluvě.

Mezi nejpoužívanější nástroje ve vědě, průmyslu a medicíně patří mikroskop. Jako jeho alternativu lze použít v chytrých telefonech pokročilé optické senzory. Tyto jsou natolik dokonalé, že dokážou bez problémů zobrazit jednotlivé virové částice. Vytvoření vyspělých optických mikroskopů a zobrazovacích technik, které jsou integrovány přímo v telefonu, je důležité pro telemedicínu (telepatologie, vzdálená diagnostika), mobilní zdravotnické aplikace, monitorovací a POCT aplikace (angl. Point of Care Testing – systém měření a testů v místě péče o pacienty). Tyto technologie přitom musí být jednoduché a zároveň 100% spolehlivé, zajišťovat správné a přesné měření, na kterých je závislá probíhající nebo budoucí léčba pacienta.

Podle profesora Aydogana Ozcana z kalifornské univerzity UCLA se pohled vývojářů soustředí především na vývoj mikroskopů bez použití čoček, analýzu krve a krevního obrazu (cytometrie), monitorování srdečního rytmu, odhalování alergenů, bakterií a virů, elektrochemickou detekci parazitů, diagnostiku infekčních nemocí, monitorování chronických pacientů (například testy na výskyt bílkovin nebo cholesterolu v krvi), stanovení očních vad a zjišťování očního zákalu. V mnohých z těchto aplikací je důležitá sofistikovaná příprava vzorků pomocí mikrofluidních zařízení (umožňují manipulaci s kapalnými vzorky v mikroměřítku, provádění chemických interakcí a procesů). Tyto představují klíčový prvek pro úspěšné použití mobilního telefonu jakožto měřící a diagnostické platformy neboli jednoduše řečeno, profesionální biomedicínské laboratoře. Vytvoření cenově dostupných a přesto účinných mikro a nanozobrazovacích rozhraní na mobilním telefonu, případně použití částí mobilních telefonů jako CMOS snímacích čipů (skládajících se z milionů či až desítek milionů jednotlivých buněk, z nichž každá dokáže registrovat světlo a vyhodnocovat jeho intenzitu), může měřit, testovat a nalézat řešení v reálném čase přímo v terénu.

Pro některé z těchto aplikací je nutné mobilní telefon dovybavit speciálně navrženým kouskem hardwaru. Tento zprostředkuje kontakt se zkoumaným (snímaným) materiálem a vzorkem. Cena takového přídavného zařízení je zpravidla nižší, než cena samotného chytrého telefonu. Například pro sledování cholesterolu v krvi můžet použít již zmíněné zdravotní mobilní aplikace jako Cholesterol Tracker a TactioHealth, které „pouze“ sledují a vyhodnocují data získaná na jiném zařízení. Nebo vyzkoušíte smartCARD, technologii vyvinutou na Cornellově univerzitě ve Spojených státech – unikátní software a hardware, jež lze nasadit na kameru chytrého telefonu. SmartCARD umožňuje číst speciální testovací proužky, na které se aplikuje lidská krev, pot nebo sliny. Celý test trvá přibližně minutu.

Technologie smartCARD opticky detekuje biomarkery v kapce krve, potu nebo ve slinách. Zdroj: Cornell University

Klíčovým prvkem mobilních telefonů je samotná výpočetní kapacita, která z něj vytváří přenosný superpočítač. Paralelně se zvyšuje kapacita datového přenosu. Tato umožňuje zpracování dat na vzdálených serverech v reálném čase. Zatímco přenosové rychlosti se neustále zvyšují, cena datového přenosu celosvětově klesá. Masivní rozšíření sítě mobilních zobrazovacích zařízení, mikroanalytických systémů a diagnostických nástrojů, neustále rostoucí databázi nových informací a jejich vytěžování může díky jejich inovativnímu použití vést k revolučním změnám v medicíně, biologii a ekologii. Vědci by například mohli být schopni sledovat evoluci patogenních organismů, jejich šíření a díky tomu lépe předcházet epidemiím v rozvojových i vyspělých zemích.

Penetrace těchto technologií bude nicméně vyžadovat vyspělé strojové učení a umělou inteligenci, které dokážou takové množství dat vůbec zpracovat. Neustálý rozvoj hardwaru pohání rozvoj softwaru. Nicméně, neustálá změna a vývoj (nejen) medicínských měřicích a testovacích mobilních zařízení představuje problém pro jejich standardizaci. Obzvlášť v medicíně, pro kterou jsou standardy velmi důležité. Povolení jakéhokoli medicínského zařízení podléhá státním schvalovacím úřadům (například ve Spojených státech Úřadu pro kontrolu potravin a léčiv FDA nebo u nás Státnímu ústavu pro kontrolu léčiv SÚKL). Tento proces je nejen finančně náročný, ale obvykle také zdlouhavý. Přitom několikaleté čekání na povolení nyní inovativní technologie může v konečném důsledku paradoxně zapříčinit její zastarávání, a tím snížit nebo zcela omezit možnosti využití.

Laboratoř v čipu

Chytré telefony poskytují mnoho způsobů, jak inovativně využít sadu senzorů (kamera, akcelerometr, GPS apod.), které jsou v nich již integrované. Na určitý typ aplikací – jako například měření koncentrací glukózy a cholesterolu v krvi – ovšem nestačí ani tato technologická sada. K chytrému telefonu je potřebné doplnit přídavné zařízení, které zajistí nějaký typ chemické interakce. Takové zařízení musí být zároveň dostatečné malé, aby bylo přenosné. Tento problém řeší technologie lab-on-a-chip (zkráceně LOC). Tato se snaží procesy běžně prováděné v chemických nebo biologických laboratořích integrovat do velmi malého prostoru srovnatelného s čipy používanými v elektrotechnice a elektronice.

Pro technology představuje velkou výzvu. Zatímco v obyčejných čipech se manipuluje s elektrony (elektrickým proudem a napětím), v technologii lab-on-a-chip je potřeba umět pracovat pracovat v malém prostoru s molekulami. Často to obnáší například manipulaci a transport kapalných vzorků určených k analýze biologických roztoků (krvi, slin, moče apod.). Tedy nevyhnutelně přítomnost záklopek, přepínačů a mikrofluidních kanálků, kterými by proudila analyzovaná kapalina nebo chemická činidla, jež vyvolávají požadované chemické reakce.

V současnosti je možné integrovat řádově stovky takových prvků na jednom čipu a lze využít řady technologií k jejich výrobě. Zpravidla se jedná o metody subtraktivní výroby (angl. subtractive manufactoring), tedy výrobní postup, kdy se materiál odebírá nejčastěji pomocí frézky prostřednictvím počítačově řízeného obrábění (CNC). Mezi další způsoby, jak lze materiál s dostatečnou přesností odebírat, patří například řezání laserem nebo pomocí ultrazvuku. V posledních letech došlo k značnému vývoji také v oblasti aditivní výroby (angl. additive manufactoring). Lab-on-a-chip přístroje je tak možné vyrábět pomocí metod stereolitografie (zkráceně SLA nebo SL), kdy se pomocí optické masky promítá požadovaný tvar do vrstvy monomeru, ze kterého vznikne tenká vrstvička polymeru. Celé zařízení se tak vytvoří stupňovaným ukládáním jednotlivých vrstev jedné na druhou.

Pro vývoj a rychlé prototypování (angl. rapid prototyping) lab-on-a-chip zařízení je 3D tisk klíčový. Tento ale v současnosti pořád naráží na kvalitu prostorového rozlišení, což se v budoucnu pravděpodobně změní. Oproti klasickému laboratornímu zpracování vzorků přináší technologie lab-on-a-chip řadu výhod. Patří mezi ně spotřeba velmi malého množství vzorku, rychlejší zpracování, vyšší efektivita, citlivost, přenosnost a nižší cena. Díky zmíněným výhodám se tato technologie začíná uplatňovat v řadě odvětví, především v medicíně. Největší použití se nabízí v oblasti vývoje léčiv, konkrétně při stanovení biomarkerů, což jsou charakteristiky (nejčastěji molekulární) nesoucí informaci o biologickém stavu organismu (normálním, patologickém nebo ovlivněném léčivy). Lab-on-a-chip zařízení nabízí možnost převést analogový chemický nebo biologický signál na sérii digitálních ano–ne bitů. Tyto umožní zjistit, jestli hodnota konkrétního biomarkeru ve vzorku překročila určitou koncentraci.

Chytrá umělá játra

Nabízí se ale také další možnosti využití. Například předtím, než se vyvíjené léky použijí na lidech, je potřebné je testovat v modelových systémech. Více než dvě třetiny finančních nákladů padnou na klinické zkoušky prováděné na lidech. V této fázi se nejčastěji zjistí nežádoucí vedlejší účinky, které mohou znemožnit uvedení léčiva na trh. To vede k obrovské finanční ztrátě, jež je odhalena v mnohem pozdější fázi, než tomu bývá v technologických startupech a firmách. Přitom vývoj léku stojí více než miliardu dolarů. Proto je velmi důležité odkrýt možné problémy (nežádoucí vedlejší účinky jako například toxicitu) v méně nákladné preklinické části vývoje léku. Ta se opírá převážně o testy na buněčných kulturách a zvířatech. Obě tyto formy testování mají svoje nevýhody. Buněčné kultury pěstované v Petriho misce nemohou nikdy postihnout a reprezentovat složitost celého organismu.

Mikroskopická umělá játra z dílny napodobují tvorbu buněk a detoxikační schopnosti skutečných jater. Zdroj: University Pittsburgh

Testování léku na zvířatech je stále pouze na úrovni hypotéz – to, co funguje ve zvířecím organismu, může a nemusí mít stejný účinek i na lidech. Nejsou výjimkou ani případy, kdy léky úspěšně testované na zvířatech, vedly paradoxně ke zvýšení úmrtnosti prvních pacientů. Zde se otevírá možnost použití lab-on-a-chip technologie. S její pomocí lze vytvářet 3D struktury pro růst lidských buněk, které mnohem věrněji reprezentují situaci v lidských orgánech. Hovoříme přitom o technologii nazývané organ-on-a-chip (zkráceně OOC). V současnosti se věnuje hodně pozornosti použití technologií pro plnohodnotnou náhradu lidských orgánů. Nejpravděpodobnější oblastí, kde se budeme moci v následujících letech dočkat velkého pokroku, je vývoj umělých plic. Současné technologie umožňují vytvoření mikroskopických kanálků z biokompatibilního materiálu. Jimi proudí vzduch a krev těsně vedle sebe tak, aby došlo k efektivnímu okysličení. Umělé plíce by tak mohly celosvětově pomoct alespoň části z téměř čtvrt miliardy lidí, kteří trpí nevyléčitelnou plicní chorobou, z nichž ročně zemře přibližně tři miliony nemocných (údaje podle World Health Organization). Dalším problémem, který by bylo možné vyřešit s pomocí organs-on-a-chip technologie, je onemocnění jater. Jenom v Evropě a Spojených státech bojuje s nemoc nemocnými játry 60 milionů pacientů (údaje podle HEPAMAP a American Liver Foundation).

Obrovský potenciál lab-on-a-chip spočívá v tom, že vytváří rozhraní mezi analogovým chemickým a biologickým světem a digitálním elektronickým světem. Masový nástup této technologie ovšem není na programu dne, lze ho očekávat až po vyřešení problémů s integrací mechanických zařízení typu pump, procesorů a různých detektorů na samotném čipu. Jejich řešení je předmětem intenzivního výzkumu a vývoje, který možná povede nejen k vytvoření dokonalých náhrad lidských orgánů, ale také skutečného zařízení typu trikordéru, jak jej známe ze Star Treku.


Článek byl v tištěné podobě publikován v příloze Connect! pro IT profesionály časopisu Computer 12/15.

Advertisements

Zanechat Odpověď

Vyplňte detaily níže nebo klikněte na ikonu pro přihlášení:

WordPress.com Logo

Komentujete pomocí vašeho WordPress.com účtu. Log Out / Změnit )

Twitter picture

Komentujete pomocí vašeho Twitter účtu. Log Out / Změnit )

Facebook photo

Komentujete pomocí vašeho Facebook účtu. Log Out / Změnit )

Google+ photo

Komentujete pomocí vašeho Google+ účtu. Log Out / Změnit )

Připojování k %s