Интервью Сергея Шлеева, д.х.н., зав. лабораторией биоэлектроники ФИЦ Биотехнологии РАН в новом выпуске еженедельной газеты научного сообщества «ПОИСК».
Российские ученые разрабатывают уникальный диагностический комплекс для контроля здоровья.
Создание принципиально новой отечественной системы биомедицинского мониторинга, не имеющей аналогов в мире, — задача, над решением которой трудится российский коллектив ученых. В рамках программы мегагрантов Российского научного фонда (проект №25-74-31020) в ФИЦ Биотехнологии РАН была создана новая лаборатория биоэлектроники под руководством доктора химических наук Сергея ШЛЕЕВА. Сегодня ее сотрудники разрабатывают интегрально-модульный мультисенсорный диагностический комплекс для быстрого автономного контроля состояния организма. Проект предполагает создание носимых и имплантируемых биоэлектронных устройств на основе передовых наноматериалов, объединенных в единую сеть с технологиями искусственного интеллекта. Система призвана обеспечить точный и непрерывный контроль здоровья вне клиник, прогнозировать изменения состояния и выдавать персонализированные рекомендации. Подробностями о ходе работы с «Поиском» поделился руководитель мегагранта.
– Сергей Валерьевич, вы много лет работаете в Швеции. Расскажите, как начинался ваш путь в науке и что привело вас к сотрудничеству с ФИЦ Биотехнологии?
– Мои связи с ФИЦ Биотехнологии, точнее, с одним из его филиалов — Институтом биохимии им. А.Н.Баха — длятся с конца 1990-х годов. В 1997-м я поступил в аспирантуру ИНБИ РАН, закончил ее, успешно защитился и какое-то время проработал в институте в должности научного сотрудника.
Активную работу за рубежом я начал в 2004 году в Университете города Лунд (Швеция). Я попал на кафедру аналитической химии и проработал там два года. Параллельно были стажировки в Германии, в Университете Бохума. В 2006 году меня приняли на работу в Университет Мальмё — сначала научным сотрудником, затем я дорос до профессора. В 2010 году я защитил докторскую диссертацию в ИНБИ РАН, так что у меня фактически две степени: доктор химических наук по специальности «Биохимия» и кандидат биологических наук.
Несмотря на то, что я переехал на работу в Швецию, контакты с российскими коллегами всегда сохранял. И в какой-то момент мне предложили подать заявку на мегагрант — с расчетом на то, что я смогу перенести свои исследования в Россию.
– В чем главная идея проекта?
– Речь идет о мобильном, портативном, интегрально-модульном мультисенсорном диагностическом комплексе для быстрого автономного контроля параметров организма, который позволит оценивать состояние здоровья человека в реальном времени. И делать это можно будет практически бесплатно. Состояние здоровья я понимаю максимально широко, включая и соматические, и психофизиологические параметры.
Мировая наука активно движется к созданию неинвазивных устройств для определения концентрации различных биоаналитов. Самый простой и понятный пример — уровень глюкозы в крови. Сейчас для этого нужны тесты с забором крови. Есть и полуинвазивные приборы: они крепятся на предплечье и периодически измеряют концентрацию глюкозы в подкожной жидкости, которая коррелирует с ее уровнем в крови.
За редким исключением все эти разработки ведутся за рубежом. В России такими исследованиями занимаются единичные группы. При этом сами приборы уже коммерчески доступны, и возникает парадокс: все данные о состоянии здоровья российских граждан уходят на зарубежные серверы. Ситуация, мягко говоря, неправильная, и ее нужно менять.
Если коротко, суть проекта такова: мы создаем новые устройства для неинвазивного измерения важнейших биоаналитов без забора крови. И второе: мы строим не только аппаратную часть, «железо», но и программное обеспечение, которое принадлежит Российской Федерации. Все данные, получаемые при участии пациентов и добровольцев, будут накапливаться на российских серверах и обрабатываться российскими учеными и сотрудниками.
– Почему это так важно?
– Понимаете, пользователь, покупая часы, браслеты или кольца, позволяющие отслеживать параметры организма, часто не задумывается, что отправляет свои данные даже не в Европу, а напрямую в Соединенные Штаты. Мы не осознаем, что делимся этой информацией с кем-то еще, кроме себя.
Это серьезный этический вопрос, и в рамках проекта мы хотим не только создать устройство, но и показать, как должна быть устроена работа с персональными данными.
– Спасибо, что вы об этом сказали, будем держать в уме. Но давайте вернемся к вашему устройству. Какие параметры оно сможет контролировать?
– Я бы не стал называть это просто устройством. Если посмотреть название проекта, это многомодульный комплекс. Его можно быстро перенастраивать под разные задачи. То есть это не просто перстень на пальце или умные часы, а целая система из нескольких связанных и интегрированных между собой модулей. И под конкретную задачу мы собираем конкретный блок, который работает на решение конкретного вопроса.
– Хорошо, тогда о задачах. Какими они могут быть?
– Приведу один пример. Вы знаете, что в процессе беременности у женщин может сильно варьировать концентрация гемоглобина в крови? Сейчас это отслеживается периодическими визитами в клинику и забором крови для анализа. Мы разработали метод неинвазивной диагностики уровня гемоглобина.
– И как же это работает?
– Есть решения с использованием машинного обучения и современных сенсорных устройств. Представьте, будущим мамам выдают носимые часы или, скажем, напальчники, которые периодически (раз или несколько раз в день) проводят измерение уровня гемоглобина. Бесплатно, без каких-либо дополнительных затрат. И эти данные автоматически отправляются лечащему врачу или медицинскому персоналу, ответственному за мониторинг. Женщине не нужно никуда ходить, платить, сдавать кровь. Это снижает риски и нагрузку на систему здравоохранения. Все происходит на дому.
Я привел лишь один из возможных примеров, но их может быть множество. У нас уже есть обнадеживающие результаты, мы сами в восторге! В ближайшее время планируем начать тестирование в больницах и клинико-диагностических центрах, чтобы посмотреть, какие результаты получим на практике. Надеемся, что за год-два удастся вывести какую-то часть этого комплекса в практическую плоскость.
– На чем основано действие устройств для определения гемоглобина? Есть ли уже такие на рынке?
– Да, неинвазивные устройства для измерения гемоглобина коммерчески доступны. Вы можете приобрести их уже сегодня. Проблема в другом: у них очень большая погрешность. Они производятся, как правило, в недружественных странах, и погрешность измерения такова, что врачами эти показания не признаются. Ни один доктор на основании таких данных не поставит диагноз. То есть устройства есть, но в клинической практике они практически не используются.
Мы пошли дальше: улучшаем эти устройства и используем машинное обучение. Это наше ноу-хау, мы планируем подавать патент, поэтому детали раскрывать я пока не могу. Но суть в том, что мы нашли способ значительно повысить точность измерения. Если обычная ошибка измерения достигает 20% и более, нам удалось сократить ее до 5% и ниже.
– Существенно!
– Это уже абсолютно приемлемый показатель для медиков. Но подчеркну: пока это предварительные данные на ограниченном круге волонтеров (около сотни человек). Ограничения касаются возраста, расы, пола. Нам предстоят масштабные исследования на тысячах добровольцев, чтобы подтвердить результат. А в основе, еще раз, лежит машинное обучение.
– Как вам удалось добиться такой точности?
– Наша идея заключалась в следующем. Мы предположили, что большой разброс данных при неинвазивных измерениях связан с изменчивостью параметров кожи, через которую проводится измерение. Понимаете, о чем я?
– Пока не совсем.
– Кожа у всех разная: цвет, влажность, толщина — все это влияет на результат. Идея была в том, чтобы параллельно с измерением уровня гемоглобина контролировать состояние кожи, а затем с помощью машинного обучения учитывать эти данные. Эксперименты подтвердили нашу правоту.
– Каков все же механизм измерения?
– Излучение нескольких длин волн проходит через кожу, происходит считывание, и выдается результат. Но кожа, как я уже сказал, у всех разная, а считывание происходит одинаково. Если же мы учитываем параметры кожи, ошибка измерения становится намного меньше.
– Вы сказали об ограниченном числе волонтеров. На каком массиве данных вы обучаете систему?
– Пока мы провели предварительные исследования примерно на сотне человек. Сейчас заключаются договоры, и наши планы — провести исследования уже на тысячах добровольцев.
– Кто ваши партнеры в здравоохранении?
– Мы ведем установление прочных деловых контактов с клинико-диагностическими центрами и больницами России. Есть договоренность с Департаментом здравоохранения Брянской области — они отнеслись очень позитивно. Состоялись переговоры с Брянским клинико-диагностическим центром и Брянской городской больницей №2. Сейчас мы на стадии подписания документов для проведения тестов тех частей комплекса, которые уже разработаны.
– Для каких еще целей может служить ваша система неинвазивной диагностики?
– Возможности ее применения настолько обширны, что сложно выделить что-то одно. Мы предполагаем и домашнее использование, и для организаций.
– Это будет медицинское изделие, которое вы планируете сертифицировать, или, скорее, wellness-гаджет?
– Точно не гаджет. Мы постараемся довести разработку до медицинской сертификации.
– Может ли идти речь о контроле таких параметров, как давление или работа сердца?
– Конечно. Сейчас мы контактируем с несколькими компаниями, заказали несколько фитнес-браслетов для экспериментов. Один из сотрудников уже научился считывать с них электрокардиограмму. Нас очень интересуют кардиопараметры: частота сердечных сокращений, кровяное давление, ЭКГ и другие показатели работы сердца. Включая, например, кардиоваскулярный стресс — показатель того, насколько сердечно-сосудистая система находится в состоянии стресса. Причин может быть множество — от физических нагрузок до эмоционального состояния.
– В самых последних версиях популярных сейчас умных браслетов тоже добавлены кардиофункции. Получается, ваша разработка на переднем крае?
– Мы снова возвращаемся к вопросу о данных, уходящих за рубеж. Это очень важный момент.
– Я как-то раньше об этом не задумывалась. А кто будет владельцем данных у нас?
– Мы проводим свои исследования на серверах Федерального исследовательского центра, с привлечением его IT-партнеров. То есть пока все хранится в нем.
Одна из главных задач проекта не только научная, но и общественная, организационная. Вот вы не задумывались, что ваши данные могут кого-то интересовать, кроме вас. А давайте я спрошу: что продает Google? Он продает информацию, которую вы предоставляете бесплатно. Если люди — не только отдельные индивидуумы, но и общество в целом, и власть — начнут это осознавать, это будет очень важный шаг.
– Соглашусь. Если данные о показателях здоровья послужат для настройки отечественной медицины, будет отлично. Задачи вы ставите амбициозные, но наверняка есть риски. Что может не сработать?
– Отвечу вновь на примере гемоглобина. У нас была гипотеза: большая ошибка измерений связана с огромной вариацией параметров кожи. Если мы параллельно с оптическим неинвазивным измерением гемоглобина будем измерять состояние кожи и совместим эти данные, ошибка станет намного меньше.
Но это не означало, что мы обязательно получим правильный результат. Нам повезло? Скорее, мы двинулись в абсолютно правильном направлении, и все получилось. Но из этого не следует, что во всех остальных случаях будет так же.
Специалисты предложили гипотезу, мы проверили — она оказалась верной. Теперь мы идем к медицинской сертификации. Но когда мы изучим две-пять тысяч волонтеров, сохранится ли результат? Не факт. Вероятность велика, но не стопроцентная, потому что это научно-исследовательская работа. В каждом из направлений нашего многомодульного комплекса есть свои нюансы. Главный риск: где-то мы можем отклониться не в ту сторону.
– Проект выполняется на средства мегагранта, у него ограниченные срок и бюджет. Как вы представляете будущее лаборатории, технологий, команды после завершения?
– Вопрос очень важный. Начну с того, что хочу поблагодарить Аппарат президента и лично Президента РФ Владимира Владимировича Путина за возможность проведения таких уникальных исследований в родной стране. Насколько я знаю, запуск программы мегагрантов — в том числе его инициатива.
Мегагрант — это серьезнейшая финансовая и временная «подушка» для проведения масштабных испытаний. У нас впереди четыре года плюс возможность продления еще на три. То есть мы говорим о семи годах, начиная с сегодняшнего дня. Это большой срок. В отличие от гранта на год-два, где вопрос, а что дальше, возникает сразу, здесь есть запас по времени и финансовая защита.
Государство подошло к этому вопросу очень серьезно. Это радостно осознавать. Волнения о будущем у меня пока нет. Моя задача сейчас — максимально разработать комплекс, продвинуть проект, сделать все возможное, чтобы цели, поставленные в заявке, были достигнуты.
В завершение интервью хочу искренне поблагодарить Российский научный фонд и его руководство за поддержку в реализации столь амбициозного научно-технического проекта.
Беседовала Светлана Беляева
Обложка: фото предоставлено С.Шлеевым