Игорь Ефимов. Фото пресс-службы МФТИ
В МФТИ открыл лабораторию известный специалист в области электрофизиологии сердца, профессор университета штата Вашингтон в Сент-Луисе Игорь Ефимов — выпускник Физтеха 1986 года. Он рассказал корреспонденту журнала МФТИ «За науку» о планах работы в alma mater и здесь мы приводим это интервью полностью.
— Чем будет заниматься ваша лаборатория в МФТИ, в чём её отличие от американской группы?
Проект, для которого мы получили финансирование лаборатории на Физтехе, преимущественно теоретический. Вообще сейчас я в большей степени экспериментатор, но когда-то был теоретиком. И у меня накопилось огромное количество данных о разных экспериментальных моделях сердечной деятельности, в том числе человеческой.
То, что запланировано на Физтехе, будет называться «Лаборатория физиологии человека». То есть мы хотим построить здесь такую структуру, которая будет заниматься разработкой теоретических и экспериментальных технологий, связанных с электрофизиологией сердца и мозга.
На первой стадии (проект трёхлетний) мы сконцентрируемся на теории. Запланирован и эксперимент, но в основном это будет компьютерное моделирование. В моих лабораториях в Сент-Луисе и Бордо (там я тоже работаю) уже очень много экспериментальных наработок, и у меня всегда была необходимость найти коллектив, с которым я мог бы сотрудничать в области компьютерного моделирования и новых технологий, в частности, 3D-печати.
— О каких задачах идёт речь?
Недавно у меня вышла статья в Nature Communications, в коллаборации с великим учёным из университета Иллинойса — Джоном Роджерсом. Это материаловед, который изобрёл новый класс электроники — растяжимые и пластичные микросхемы. Для медицины это прорыв: все органы человека гибкие, и с помощью обычной электроники их сложно наблюдать. Например, чтобы создать хороший контакт между электронным прибором и бьющимся сердцем, это устройство должно иметь возможность также менять форму вместе с механической активностью органа.
Мы разработали новый класс приборов, которые позволяют делать медицину индивидуальной. Это мониторинг, настроенный на одного конкретного пациента: сначала вы делаете КТ или МРТ (компьютерная, то есть рентгеновская, или магнитно-резонансная томография. Примечание пресс-службы МФТИ), потом — полную компьютерную сегментацию, выделяя интересный вам орган (в нашем случае — сердце) и создаёте конкретную модель сердца конкретного пациента. Дальше эта форма воспроизводится на трёхмерном принтере, сверху наносится мембрана, сделанная из биосовместимых материалов. А уже по ней печатается электронный прибор, который может записывать множество разных сигналов, а также предоставлять точечную терапию для сердца там, где это необходимо. То есть, если переводить с английского, получится «диагностика высокого разрешения» и «терапия высокого разрешения».
— Зачем это нужно, чем хуже современные имплантируемые аппараты?
Судите сами, в современных кардиостимуляторах и дефибрилляторах максимум два-три электрода. И это всё, что у вас есть, чтобы записывать параметры сердечной деятельности или стимулировать её. Это очень низкое разрешение.
Например, у дефибриллятора одна из самых главных проблем — inappropriate therapy — ложно назначенное лечение. Как это происходит? Электрод всего один, он записывает сигнал всего из одной точки, и на основании этих недостаточных данных должен принять решение, находится или нет человек в состоянии внезапной сердечной смерти. И если он находится, то электрод должен подвергнуть сердце действию значительного электрического тока. К сожалению, на основании данных из одной точки очень легко ошибиться, и понятно, что получается в итоге: человек, ни о чем не подозревая, находясь в полном сознании, вдруг испытывает жуткую боль и жуткий шок.
Мы хотим создать приборы, которые позволят этого избежать: диагностика высокого разрешения запишет не только целый спектр электрических сигналов, но и механические параметры, показатель кислотности, температуру, метаболическую функцию и так далее. Все необходимые для этого приборы гибкие и печатаются на гибкой мембране.
Именно этой «платформе будущего» для новых имплантируемых приборов посвящена наша совместная статья. Они будут применяться не только для сердца, но и для мозга, и для любых других органов. Но меня больше интересует их применение для сердца, и эта платформа ставит ряд задач именно компьютерной науки. Например, после того, как сделано КТ или МРТ, из его результатов нужно вычленить именно ту информацию, которая относится к искомому органу, в нашем случае — сердцу.
Затем методами компьютерного моделирования также нужно разработать наш прибор — этакий идеально сидящий на сердце «носок». И потом к процессу надо подключаться хирургам: разработать минимально инвазивные методы введения такого оборудования в организм человека.
— В чём будет состоять задача учёных на Физтехе?
Именно в этом! Нам предстоит заняться разработкой компьютерных технологий, которые позволят приблизиться к процессу внедрения гибкой электроники в медицину. Ведь построить такой прибор, даже после демонстрации платформы, — это огромный путь. Сначала нужно понять, где и в каком объёме нужно разместить соответствующий тип сенсоров. Все они будут строиться по определенное заболевание.
Если это риск внезапной сердечной смерти, то нужна диагностика, нужно определить, с какой плотностью приборы ставить, чтобы обеспечить минимальную достаточность информации — и здесь речь идет уже о pH. Если мы говорим о сердечной аритмии, ишемической болезни — всё это разные случаи, требующие индивидуального подхода, индивидуального набора сенсоров. И всё это будет заранее рассчитываться на моделях.
Даже когда мы поняли, где именно мы будем наблюдать сердце, остаётся много вопросов. Например, любой сигнал зашумлён фоном, другими явлениями. И надо понять, как вычленить из наблюдаемой картины сигнал именно от тех отделов сердца, которые представляют собой риск. Это тоже будет задачей для нас.
— На Физтехе будут вестись только работы по диагностике сердца?
Нет, подобные задачи ставятся и для нейрофизиологов. Заместителем заведующего лабораторией будет Рубин Алиев, он как раз занимался нейрофизиологией и будет разрабатывать применение нашей платформы в этом направлении. Там есть и чисто математические задачи — нужно оптимизировать имеющиеся математические модели сердца под наше применение. Ведь общие модели огромные, и моделировать на них сложно даже с самыми мощными суперкомпьютерами.
— Какие перспективы у лаборатории?
Я строю её с ориентацией на стратегическую перспективу. В первые три года у нас есть грант МФТИ, мы строим лабораторию, ищем людей и подбираем оборудование. Я надеюсь, что за это время у нас выделятся и вырастут какие-то направления, которые могут стать экспериментальными. Также и у МФТИ появится соответствующая инфраструктура для экспериментальной науки. В Сент-Луисе у нашей лаборатории есть доступ к большой базе органов для работы in vitro, причём это не только сердца небольших животных, но и человеческие органы. То же нужно сделать и в России в партнерстве с медицинскими учреждениями.
— А в России такое возможно законодательно?
Эта необходимость назрела не только для науки, но и для клинической практики. Скажем, в США законодательство в этой области очень проработано и, например, если человек погиб в автомобильной катастрофе, его органы могут спасти сразу несколько жизней: оперативно готовятся к пересадке не только сердце, но и печень, почки, лёгкие и так далее. Но сердце — это самая трудная часть, потому что критерии для пересадки очень жёсткие. И вот когда сердце по какому-то параметру не подходит для пересадки, его передают нам, учёным, и мы можем изучать процессы в нём in vitro. Так мы получаем данные о физиологии человека. Сейчас у нас такие данные есть, но они ещё ждут систематической теоретической обработки. В моём университете в США просто нет коллектива, который мог бы это делать, а на Физтехе такие специалисты мирового класса — по высшей математике, по моделированию, — есть.
P.S. Мы беседовали с профессором Ефимовым в рамках международной конференции по биофизике сердца ICENET-2014, которая прошла в стенах МФТИ, что ещё раз свидетельствует о большом внимании Физтеха к этой теме.
