Заразные болезни
Хронические болезни становятся большой проблемой, но и инфекционные болезни не утратили своей важности. Они все еще занимают свои места среди причин инвалидности в мире – № 2 (пневмония), № 4 (диарея), № 5 (ВИЧ) и № 6 (малярия)3, 4. Туберкулезом заболевают в два раза больше детей младше 15 лет, чем считалось ранее, – примерно 1 млн человек в год по всему миру6. В списке из 20 главных заболеваний есть еще несколько инфекционных болезней. В большей части развивающихся стран, как, например, в Африке, инфекции остаются главной причиной смерти и инвалидности; лихорадочные немалярийные заболевания являются главной причиной детской смертности в бедных странах. В 22 (11 %) из 196 стран мира очень высокий уровень заболеваемости туберкулезом, это результат и слабого распространения антибиотиков, и появления штаммов, резистентных к антибиотикам широкого спектра действия7. На эту проблему обратили внимание во всем мире, и в 2014 г. США вместе с 26 другими странами сформировали Всемирную программу по профилактике и борьбе с локальными вспышками опасных инфекционных заболеваний, хотя и с упором на предотвращение пандемий, которые могут дойти до развитых стран7. Это трудная задача из-за глобального несоответствия – медицинские технологии обычно предназначены для мест, где имеется большое количество ресурсов и хорошо развита инфраструктура, но медицинская помощь больше всего требуется в условиях, где ресурсов не хватает, а оборудование кем-то пожертвовано и обычно не работает.
Если мы хотим справиться с инфекционными болезнями, то для этого потребуются новые инструменты. Возьмем сотовую связь. В 2013 г. в Африке насчитывалось более 630 млн пользователей мобильных телефонов, и у 93 млн из них были смартфоны. И эти цифры, в особенности если брать людей, подсоединенных к мобильному Интернету, быстро растут. Например, в Нигерии в 2000 г. было всего 30 000 пользователей мобильных телефонов, а сейчас свыше 140 млн1. Уже само по себе широкое распространение мобильных телефонов способствует медицинскому просвещению. В ЮАР, например, в рамках проекта Masiluleke каждый день рассылается миллион СМС-сообщений, цель которых – убедить людей провериться и лечиться от ВИЧ/СПИДа8. В сельской местности, где часто свирепствуют эпидемии малярии, СМС-сообщения, отправляемые на мобильные телефоны, обеспечивают контроль и строгое соблюдение правил приема лекарственных препаратов. Мобильные телефоны сильно упрощают регистрацию рождения ребенка родителями, что позволяет правительствам планировать графики вакцинации. Образовательные инициативы через СМС-сообщения использовались и используются в случае туберкулеза, малярии и заболеваний, передаваемых половым путем. Такие программы начинают давать хорошие результаты: программа Американской академии педиатрии «Содействие выживанию младенцев» снизила раннюю детскую смертность в Танзании на 47 %9. Данные с мобильных телефонов 15 млн людей в Кении были использованы для картирования территориально-временных моделей и динамики перемещения людей-носителей, чтобы понять, как распространяется малярия10. Сет Беркли, генеральный директор GAVI Alliance, указал, что, «даже если данные с мобильных телефонов улучшат существующие модели всего на 1 %, это будет означать предотвращение смерти 69 000 детей в год в возрасте до пяти лет»1.
Такие программы делают мобильный телефон уже не просто средством связи. Мобильный телефон можно превратить в мощный микроскоп с помощью подсоединяемого устройства, и, как оказалось, он способен надежно распознавать зараженные малярией красные кровяные тельца, используя простую световую микроскопию, а также диагностировать туберкулез с использованием флуоресцентной микроскопии11а. Айдоган Озкан и его команда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе смогли с помощью лазерно-диодного устройства, подсоединяемого к камере смартфона, получить изображение единственного человеческого цитомегаловируса, длина которого составляет всего 150–300 нанометров (нм), и других объектов, которые в 1000 раз тоньше человеческого волоса (100 000 нм)1. Инженеры из Caltech сделали следующий шаг в освоении микроскопа на базе смартфона, устранив необходимость в специальном источнике света11b.
Микрофлюидные устройства, известные как лаборатория на чипе, или миниатюрные общеаналитические системы (?TAS)12, очень успешно применяются для ускорения диагностики инфекционных болезней. Инженеры из Корнельского университета использовали такую основанную на химии систему для диагностики вируса герпеса, вызывающего саркому Капоши, с помощью смартфона13. Дешевый фотодетектор для оптического считывания использовался в Руанде для диагностики ВИЧ у 70 пациентов (ошибка только в одном случае), на что ушло 20 минут. Его чувствительность и оригинальность можно сравнить с классическим тестом ИФА (иммуноферментным анализом)12. Очень дешевая, высокопроизводительная диагностика с использованием бумажных анализаторов жидкостей, таких как кровь или моча, известных как ?PAD12, дает быстрые результаты и по инфекционным болезням, и по незаразным болезням14.
Но инновационное использование бумаги пошло дальше микрофлюидных устройств и двинулось в микроскопию. Поразительная инновация – экономичный микроскоп «оригами», изобретенный Ману Пракашем из Стэнфордского университета (рис. 14.4)15–20. Он собирается из плоского листа бумаги за 10 минут. Фолдскоп, или сворачиваемый микроскоп, помещается в карман, не требует внешнего источника энергии, весит меньше двух 15-центовых монет и может увеличивать объект более чем в 2000 раз. Ему требуются крошечные линзы, которые стоят 56 центов, и трехвольтовая батарейка таблеточного типа за шесть центов, а также светодиод стоимостью 21 цент, клейкая лента и переключатель, все вместе – меньше $1. Было продемонстрировано, как он увеличивает Leishmania donovani, Trypanosoma cruzi, E. coli, Schistosoma haematobium, Giardia Lamblia и многих других бактерий и паразитов19.
Новые способы быстрого диагностирования малярии, которая убивает примерно 600 000 человек в год, указывают на общую тенденцию перехода на очень недорогие портативные диагностические инструменты10, 21–23. Малярийные паразиты при переваривании гемоглобина производят железосодержащие кристаллы гемозоина24. Кристаллы можно распознать через нанопузырьки, которые формируются и лопаются, когда зараженные клетки подвергаются воздействию лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона. Характерный звук позволяет выявить малярию (рис. 14.5) «подобно тому, как эсминец обнаруживает подводную лодку»24. Этот анализ кожи дает мгновенные результаты, определяя малярию на любом ее этапе, без реагентов и без взятия проб крови, при этом поражает уровень его чувствительности: можно определить одну инфицированную клетку из 800 красных кровяных телец, без ложноположительных результатов. Это занимает 20 секунд и стоит 50 центов. Вначале результаты были проверены на мышах, сейчас уже давно идут клинические испытания. Еще одно устройство для диагностики малярии надевают на запястье, оно определяет малярийный пигмент гемозоин с помощью объединенного магнитного и оптического датчика, который может быть использован многократно25. Есть и несколько новых способов диагностики малярии с использованием количественной полимеразной цепной реакции (ПЦР), для которой требуется капля крови, в частности, такой тест предлагает стартап Amplino. Особенно привлекательно применение ПЦР в портативных мобильных устройствах, таких как «Генный радар» компаний Nanobiosym26, QuantuMDx и Biomene (рис. 14.6 и 14.7)27–30. Возможность делать секвенирование в пунктах оказания медицинской помощи расширяет перспективы секвенирования ДНК с помощью портативных приборов на различные патогены, включая гонорею и другие заболевания, передаваемые половым путем, вирус Западного Нила, денге и туберкулез. Еще более простой способ – колориметрическая проба на туберкулез, малярию или ВИЧ, выполняемая на месте с использованием тестовой полоски и камеры смартфона. Этот метод разработан в Кембриджском университете (рис. 14.8)31, 32.
В условиях плохо развитой инфраструктуры становятся доступными другие инструменты. Резкое падение финансовых и временны?х затрат, требуемых для геномного секвенирования, обеспечивает новые возможности диагностики устойчивости к противомикробным препаратам путем секвенирования патогена из культуры, а еще быстрее – из пробы, как, например, слюны или мокроты. Прекрасный источник для молекулярной диагностики – не только жидкости организма, но и дыхание33. Масс-спектрометрический анализ дыхания используется для выявления туберкулеза и показывает одинаковые результаты с традиционной микроскопией мазка слюны или мокроты33. Последний не особенно годится на роль золотого стандарта, так как в 40 % – 60 % случаев диагностика не срабатывает. Хотя широкомасштабных испытаний анализов дыхания не проводилось, специфическая диагностика на месте, известная как Xpert, при которой используется амплификация ДНК[50] для определения туберкулеза одновременно с устойчивостью к рифампину, прошла проверку во время рандомизированных испытаний в ЮАР, Зимбабве, Замбии и Танзании с участием свыше полутора тысяч человек34. Это не уменьшило процент заболеваемости и смертности в целом (главная цель), но Xpert-тест способствовал росту числа людей, готовых лечиться, и уменьшению доли отказавшихся от лечения, к тому же его легко мог делать персонал, не проходивший специального обучения34.
Патоген (микроб, вирус) – это не единственная проблема, заслуживающая внимания. На самом деле есть серьезные доказательства, свидетельствующие и о значении носителя (человека). Недоедание в развивающихся странах, помимо всего прочего, является фактором предрасположенности человека к инфекции, и причина многих инфекций очень сильно связана с микробиомом кишечника35–39. Более 20 млн детей по всему миру страдают от недоедания, а показатели смертности у госпитализированных детей с квашиоркером[51] – дефицитом белка из-за плохого питания – составляют аж 50 %. Во время рандомизированных испытаний в сельской местности Малави, типичной для Тропической Африки, проводилось тестирование двух различных антибиотиков и плацебо у 2767 детей в возрасте от полугода до пяти лет (рис. 14.9). Было отмечено существенное уменьшение смертности при использовании антибиотиков, но ясно, что количество смертей все еще чрезвычайно велико и в случае лечения40, 41. Но при другом исследовании 317 пар близнецов из Малави, когда один из близнецов страдал от острого истощения, микробиом кишечника показал, что дисбаланс бактериальных популяций можно восстановить с помощью витаминизированного арахисового масла37. Оно сильно отличается от типичного рациона питания в Малави, где употребляют пищу, богатую крахмалом. Когда менее разнообразный микробиом кишечника детей с квашиоркером трансплантировали (в виде фекальных проб) мышам, животные восстанавливали потерянный вес при кормлении обогащенным арахисовым маслом. Эти два впечатляющих исследования продемонстрировали взаимосвязь между питанием, микробиомом и носителем при крайней форме истощения, а также значение спасительного вмешательства в виде питания и антибиотиков. Но в известном смысле их можно рассматривать просто как первый шаг после выявления основных причин проблемы. В будущем дешевые инструменты для диагностики и секвенирования на месте (рис. 14.5, 14.6, 14.7 и 14.8) помогут точно и быстро определить виды бактерий-возбудителей и дисбаланс, чтобы в каждом конкретном случае подобрать подходящие пробиотики42, 43.
Вероятно, еще более поразительным достижением мобильных технологий станет возможность пересылать вакцину через Интернет. Вентер и его коллеги уже продемонстрировали потенциальный способ быстрого создания синтетической вакцины против гриппа, соответствующей возбудителю (рис. 14.10), – кода, который может, по крайней мере теоретически, передаваться с помощью электронных средств связи в режиме реального времени в любое место на планете для первичной системы реагирования на пандемию44. Конечно, грипп – это всего лишь типичный образец большого количества микроорганизмов, к которым может быть применена эта стратегия. Это, безусловно, одна из самых удивительных ближайших перспектив синтетической биологии и пример слияния цифровой и биологической информационных сфер приложения усилий для совершенствования медицины.
