Диагностика рака и социализация при болезни Альцгеймера: прорывные изобретения школьников
Юный возраст не помеха для серьезных научных достижений. Сегодня школьники наравне со взрослыми участвуют в решении глобальных проблем экологии, здравоохранения и даже способствуют развитию космической отрасли. В честь Дня знаний и начала учебного года рассказываем о научном вкладе подростков в различных областях.
Быстрая диагностика рака
"Когда мне было 13, умер близкий друг семьи, который был для меня как дядя, умер от рака поджелудочной железы", — с этого момента начинается история американского изобретателя Джека Андраки.
Столкнувшись со смертью близкого человека, Андрака решил лучше изучить то, что привело к его гибели. И был поражен. Оказалось, что около 85% диагнозов ставят слишком поздно, когда шансы пациента выжить падают до 2%.
Рак поджелудочной — действительно одно из самых смертоносных онкологических заболеваний в западном мире. И, по прогнозам ученых, в будущем ситуация лишь усугубится, в результате чего недуг займет еще более "почетное" второе место. Проблема также кроется в потенциальных методах лечения: рак поджелудочной можно вывести в ремиссию, только если полностью удалить опухоль. Химиотерапия же практически бесполезна для пациентов с этим онкологическим заболеванием, онкология не реагирует на вводимые препараты, что делает лечение неэффективным.
Единственный способ добиться положительной динамики и излечиться — ранняя диагностика рака поджелудочной. Однако тут возникают проблемы. Начать стоит с того, что это онкологическое заболевание не вызывает никаких симптомов на ранних стадиях: обычно пациенты начинают ощущать недомогание только в тот момент, когда рак начинает оказывать влияние на другие органы пищеварительной системы. К сожалению, это происходит на финальных стадиях недуга, когда у пациента остается мало шансов на выживание.
Кроме того, большинство опухолей на четвертой стадии становятся неоперабельными. Поджелудочная железа окружена другими жизненно важными органами (печень, селезенка, желчный пузырь), поэтому опухоль на ней может запутываться в кровеносных сосудах, которые их питают. Как итог — всего 15–20% пациентов, которым могут одобрить операцию. Однако даже тут шансы на выживание довольно низкие: в ходе процедуры хирурги удаляют не только поджелудочную, но и другие органы (к примеру, часть поджелудочной железы и желудка, желчный пузырь и двенадцатиперстную кишку). Как объясняют врачи, шанс пережить операцию есть только у относительно здоровых, сильных пациентов, а статистика выживаемости в течение пяти лет составляет всего около 25%.
Все это накладывается на то, что рак поджелудочной на ранних стадиях невозможно заметить на обычных скринингах. Пациенты должны сдавать специализированные анализы крови, проходить МРТ- или КТ-сканирование, а иногда и вовсе подвергаться лапароскопической операции. И врачи рекомендуют эти процедуры, только когда уже подозревают, что у пациента рак.
Кажется, Андрака решил эту проблему. Он разработал дешевый домашний тест, выявляющий рак поджелудочной на ранних стадиях, когда шансы пациента на выживаемость близки к 100%. Юный изобретатель создал особый состав из углеродных нанотрубок и антител, которые реагируют на специфический белок — маркер рака поджелудочной, пропитал им бумагу, и готово! Себестоимость такого теста — около трех рублей, по заверениям автора, он на 90% точнее, в 168 раз быстрее и в 400 раз чувствительнее других методов, которые сегодня существуют. Потенциал разработки на этом не заканчивается — поменяв антитело в составе, аналогичным образом можно будет диагностировать другие болезни.
В 2012 году работа 15-летнего Джека Андраки удостоилась Гран-при международной научной ярмарки Intel International Science and Engineering Fair и получила главный приз — грант в $75 тыс.
Сейчас Андрака продолжает работать над своим прототипом. И хотя у системы Андраки есть недостатки, которые следует усовершенствовать, нельзя отрицать огромный потенциал разработки.
Улучшение качества жизни людей с болезнью Альцгеймера
Болезнь Альцгеймера — наиболее распространенный вид деменции. В России с этим недугом живут около 1,5 млн человек, а в мире число пациентов с деменцией уже превысило 55 млн.
К сожалению, на сегодняшний день способа помочь людям с болезнью Альцгеймера не существует. Изменения в мозге, которые вызывает недуг, невозможно остановить. Постепенно в мозге накапливаются белки, которые уничтожают здоровые клетки. В результате у пациента постепенно ухудшается память, способности к мышлению, а также развиваются поведенческие отклонения, затрагивающие социальные навыки.
К сожалению, хоть изменения в мозге начинаются задолго до первых симптомов, болезнь Альцгеймера редко диагностируют до того, как у пациента начинаются серьезные проблемы с памятью и концентрацией. Прежде всего это связано с тем, что до определенного момента болезнь протекает бессимптомно, первые амилоидные бляшки появляются более чем за 10 лет до того, как человек начнет ощущать влияние недуга. Кроме того, точно найти болезнь Альцгеймера с помощью скрининга мозга невозможно, так как она вызывает в мозге те же изменения, что и обычное старение. И хотя на данный момент ученые по всему миру активно работают над более эффективными методами диагностики и лечения, из-за непростой ситуации не менее важной задачей становится помощь семьям и пациентам сделать жизнь с недугом как можно более комфортной.
Одни из главных трудностей, с которой сталкиваются люди с болезнью Альцгеймера и их родственники, — потеря памяти и непредсказуемое поведение человека с недугом. Из-за расстройств долговременной памяти люди перестают узнавать свое окружение и теряют связь с реальностью. Из-за тех же нарушений пациенты могут уходить из дома в неизвестном направлении, пока их опекуны отвлеклись. В среднем с проблемой так называемого блуждания сталкиваются 6 из 10 людей с этим видом деменции.
Решение предложила Эмма Янг — юное дарование, программистка (она писала коды с шести лет). Ее семью затронула трагедия разрушительного недуга — болезнь Альцгеймера началась у ее бабушки. Для того чтобы помочь пациентам с деменцией, она разработала приложение Timeless. Эмма продемонстрировала приложение в рамках серии лекций Talks at Google, когда ей было всего 14 лет.
Девушка рассказала, что в основе ее разработки лежат алгоритмы искусственного интеллекта, которые способны распознавать лица окружающих. Благодаря этому у пациентов с прогрессирующей болезнью Альцгеймера получается дольше оставаться рядом с родственниками и друзьями без социального дискомфорта. Достаточно сфотографировать человека, чтобы приложение напомнило пациенту, знакомы ли они и кем приходятся друг другу. Но это далеко не все функции кода Янг. Timeless также работает как записная книжка, напоминая человеку с болезнью Альцгеймера о его планах, и помогает родственникам отслеживать местоположение человека с болезнью Альцгеймера.
Сейчас Эмма продолжает работать над своим приложением вместе с преданной командой. Оно постоянно совершенствуется и обновляется.
Зубная щетка для космонавтов
На Международной космической станции даже самые простые действия бывает не так-то просто совершить. Как помыть голову, когда вода, вместо того чтобы литься на волосы, парит в невесомости? Как умыться? А как почистить зубы?
Последнее действие — особенно трудное. Каким-то образом нужно адаптировать к безгравитационному пространству сразу три действия: нанесение пасты, саму чистку и полоскание рта. В 2011 году эту сложную инженерную задачу решил простой московский семиклассник Дмитрий Резников. Как объяснял сам инженер, его главная задача состояла в том, чтобы полностью исключить воду из гигиенической процедуры:
"Воды на борту орбитальной станции либо мало, либо она дорогая. Поэтому стояла задача разработать зубную щетку, не требующую воды. Визуально она похожа на электрическую зубную щетку", — объяснил Резников на академических Королёвских чтениях по космонавтике, проходящих в МГТУ имени Баумана.
Действительно, в космосе количество воды сильно ограничено. Настолько, что американские астронавты используют специальную систему очистки урины, чтобы перерабатывать ее в пригодную для использования воду. И хотя далекому от космоса человеку это может показаться дикостью, сами космонавты спокойно относятся к процедуре.
Российские космонавты пьют и моются обычной водой, однако, учитывая то, что доставка 1 кг полезного груза (к которому относится и вода) на МКС обходится в среднем в 1,5 млн рублей, любая возможность сократить потребление ресурсов становится буквально на вес золота.
Этого и помогает добиться щетка Резникова. Принцип работы устройства прост: необходимо последовательно нажать на три кнопки на устройстве, и зубы станут чистыми. При нажатии первой из встроенных в щетку каналов подается зубная паста, вторая кнопка включает встроенный механизм, который прогоняет воздух через щетинки, чтобы паста не застывала. Последняя кнопка запускает систему очистки: вся использованная паста всасывается внутрь щетки, в специальный встроенный микроконтейнер.
