Виртуальный ты. Как создание цифровых близнецов изменит будущее человечества

В последнее время произошел взрывной рост данных на молекулярном и генетическом уровне, а также были получены более подробные изображения целого легкого. Сегодня можно сделать сканы с высоким разрешением, чтобы смоделировать его доли и геометрию в виде сетки. Отдельные клетки также можно моделировать. Однако, как отмечают Меррин Таухай (заместитель директора Оклендского института биоинженерии), Келли Берроуз и коллеги, относительно мало было сделано для того, чтобы связать события в таких экстремальных масштабах. Степень, в которой это необходимо делать в виртуальных версиях, зависит от цели моделирования: простых одномерных моделей достаточно, чтобы показать, как тепло и влажность движутся через органы[474], в то время как для отражения деталей турбулентного потока воздуха при вдыхании частиц лекарства необходимы сложные трехмерные модели[475].

Опираясь на данные медицинской визуализации, команда Меррин Таухай в Окленде создает персонализированные геометрические модели легких для каждого пациента каждого вида[476]. Их виртуальная модель отражает геометрию органа и включает в себя доли легких, 30 000 дыхательных путей, которые транспортируют кислород и углекислый газ как обменные единицы глубоко в легких, малое кровообращение через артерии, вены и капилляры, а также субклеточные процессы, в частности газообмен. Виртуальные легкие, например, показывают, что существует четкая взаимосвязь между формой легких и их функцией, показывая влияние возраста (снижается емкость, диафрагма ослабевает, а альвеолы становятся мешковатыми).

С помощью вычислительной модели команда может смоделировать дыхание и связать сопротивление потоку воздуха в проводящих дыхательных путях с деформацией альвеолярной/ацинарной ткани легких в разветвленных дыхательных путях, где внушительное количество дыхательных аппаратов втиснуто в относительно небольшое пространство. Вы даже можете осмотреть легкие онлайн и увидеть, как при глотке воздуха ткань, ближайшая к диафрагме (мышца, расположенная под легкими), расширяется больше всего, а ткань над легкими – меньше всего[477].

Виртуальные легкие демонстрируют воздействие астмы, которая приводит к сужению дыхательных путей, поскольку гладкие мышцы, окружающие их, сжимаются, и дыхательные пути выделяют слизь, требуя больше энергии для каждого вдоха. Это важно, учитывая, что в течение жизни мы делаем около 550 миллионов вдохов. Другое моделирование показывает последствия курения, которое повреждает дыхательные пути и ткани газообмена, затрудняя получение достаточного количества кислорода, в то время как легочная ткань разрушается и становится дряблой. Команда также использовала эту модель, чтобы понять изменения в легких у пациентов с острой тромбоэмболией легочной артерии – закупоркой легочной артерии, обычно вызываемой тромбом[478].

В соответствующей работе группа Джима Уайлда из Университета Шеффилда использует визуализацию и моделирование для более глубокого понимания патологических изменений в легких с целью разработки новых диагностических методов[479], в то время как виртуальные дыхательные пути разрабатываются в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США в Ричленде, штат Вашингтон. Их цель – дать беспрецедентное, трехмерное представление о том, как загрязняющие вещества оказываются, проходят и собираются в дыхательной системе. Смоделировав нос, гортань и легкие крысы, команда включила в работу и людей, чтобы понять последствия плохого качества воздуха[480], о важности чего свидетельствует почти удвоение с 1980 г. числа больных астмой. Долгосрочные последствия загрязнения воздуха включают болезни сердца, рак легких и респираторные заболевания.

Рисунок 41. Виртуальное дыхание (compBioMed и Суперкомпьютерный центр Барселоны)

Изучив, как частицы перемещаются через легкие, ученые смогут разработать методы лечения, более точно нацеленные на доставку лекарств при легочных заболеваниях. В нашем фильме «Виртуальные люди» был также показан проект Дениса Дурли из Имперского колледжа Лондона, Мариано Васкеса из Суперкомпьютерного центра Барселоны и коллег: когда мы вдыхаем, воздух, втягиваемый через нос, претерпевает последовательные ускорения и замедления, поворачиваясь, разделяясь и воссоединяясь, прежде чем снова разделиться в конце трахеи, попав в бронхи, доставляющие вдох в каждое легкое[481].

Они также смогут изучить, как загрязнение влияет на легкие здоровых людей по сравнению с теми, кто страдает респираторными заболеваниями. Например, можно начать моделировать, как газы, пары и частицы могут по-разному действовать в легких людей, страдающих муковисцидозом, эмфиземой и астмой. В течение десятилетия появятся полноценные модели человеческого дыхания, которые можно будет адаптировать для ускорения диагностики и лечения отдельного пациента.

Виртуальная печень