Санкт-Петербургский политех развивает неклассические инженерные науки
Сегодня с необычайной скоростью развиваются технологии, формируя вокруг человека комфортную техносферу: персонализированное производство, "умные" вещи, дополненная реальность. Наука генерирует изменения во всех отраслях производства, диктуя качественные изменения в различных областях современной жизни. При этом одним из наиболее серьезных вызовов, стоящих перед обществом, остаются вопросы здравоохранения и активной продолжительности жизни. Решать их призвана трансляционная медицина, сокращающая дистанцию от перспективных разработок до их практического применения. Во многом это обусловлено новой парадигмой медицинской науки и инновационными технологиями, благодаря которым перед исследователями открываются уникальные возможности изучения самых потаенных глубин человеческого организма и сознания. Для биомедицины свойственна мощная интеграция наук о живом, таких как биомеханика, биофизика, биохимия, биоинформатика, нейробиология, психофизиология, генетика и др., моделирование патологий в лабораторных условиях для определения механизмов болезней и поиска новых средств для их лечения. Обеспечить такую междисциплинарность может только кооперация университетов и мощных исследовательских центров. Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого - крупнейший технический вуз России, развивающийся по модели 4.0, в которой сочетание материальных ресурсов, компетенций, высоких технологий позволяет решать задачи, непосильные для отдельных отраслей экономики, и вносить неоценимый вклад в сферу общественного здоровья. В последние годы Политехнический университет, вуз в котором работают ведущие ученые с мировым именем, создавшие новые научные группы и продолжающие традиции научных школ СПбПУ, активно развивает направление наук о жизни. Университет располагает уникальным спектром экспериментального оборудования для проведения биологических исследований клеточного и молекулярного уровня. В области биологии и медицины сегодня в университете действует более 15 подразделений, в том числе лаборатория биофизики, молекулярной нейродегенерации, НИК "Нанобиотехнологии", рядом которых руководят крупные приглашенные ученые. С 2012 года университет проводит работы в области наук о жизни и медицины в рамках программы "5-100", Центра RASA, Мегагрантов РНФ. На базе передовых технологий создаются материалы и приборы для медицины: эндопротезы, раневые покрытия, нановолокна для замены кровеносных сосудов, наночастицы для доставки лекарственных соединений на основе биосовместимых полимеров, бионические протезы с прямыми и обратными связями "устройство-человек". Большое внимание в Политехническом университете уделяется неклассическим инженерным направлениями, основанным на многоуровневой сборке по принципу "сверху-вниз" (BottomUp), результаты которых могут быть широко применены в медицине. Вуз успешно ведет работы в области социально-значимых заболеваний (туберкулез и ВИЧ), молекулярного и системного моделирования сложных биосистем, компьютерного конструирования лекарств и других изделий для биологии и медицины. Это является важным аспектом и вкладом в научно-исследовательскую кооперацию ведущих научных и исследовательских центров, занимающихся развитием биотехнологий. С 2015 года Политехнический университет является соучредителем двух медицинских научно-образовательных кластеров. МНОК "Перспективные исследования и технологии для онкологии" создан совместно с Санкт-Петербургским клиническим научно-практическим центром специализированных видов медицинской помощи (онкологический). Ключевая цель кластера - мобилизация возможностей его участников для решения фундаментальных биологических задач, разработки и внедрения: новых медицинских материалов и приборов, методов тераностики для онкологии, разработка новых методов обслуживания онкобольных и подготовка качественных специалистов. МНОК "Трансляционная медицина" был создан с Национальным медицинским исследовательским центром имени В.А. Алмазова (Центр Алмазова) совместно с другими ведущими вузами Санкт-Петербурга. Одна из главных задач кластера - проведение полного цикла научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, включая создание препаратов и промышленных образцов техники, которые будут реально применимы в ежедневной практике врачей. В кластере СПбПУ отвечает за деятельность научно-технической комиссии "Приборостроение, материаловедение, суперкомпьютерные технологии и моделирование" и научно-технической комиссии "Медицинский менеджмент и экономика здравоохранения", при этом ученые и научные сотрудники вуза представлены во всех направлениях кластера. Ресурсы СПбПУ, сотрудничество с МНОК позволило вузу ставить перед собой новые стратегические задачи био-ориентированного развития, в том числе и на международном уровне. Так в 2016-м Университет и Шанхайская ассоциация биотехнологий подписали соглашение о сотрудничестве. В октябре 2017 года решением Ученого совета СПбПУ в Университете было создано новое структурное подразделение - Институт биомедицинских систем и технологий. Этот шаг не дань моде - разработка программы Института велась на протяжении двух лет в рамках проекта "5-100-2020". Он будет готовить специалистов, способных ответить на сложнейшие вызовы, возникающие перед медициной и угрожающие здоровью людей в условиях повышенных стрессов, техногенных опасностей, мутаций вирусов и ухудшающейся экологической ситуации на планете. Столь значимый научно-образовательный проект реализуется совместно с Центром Алмазова. В структуре Института планируется работа примерно 10 современных научно-исследовательских подразделений, таких как НИЛ биоинформатики, НИЛ синтетической биологии, НИЛ микрокапсулирования, НТК "Ядерная физика", УНЛ "Медицинская ультразвуковая аппаратура", НИЛ "Полимерные материалы для тканевой инженерии и трансплантологии" и другие. Современный мир стремительно меняет представления о профессиях, выдвигая к ним насущные требования. Специалисты XXI века должны не просто быть в курсе передовых методик диагностики и лечения, но и активно внедрять их в клиническую практику, индивидуально подходить к каждому пациенту, опираясь на данные молекулярно-генетических и эпигенетических исследований. Ориентируясь на эти требования, Политехнический университет содействует созданию мультидисциплинарных команд, в которые наравне с клиницистами входят специалисты по биомедицине, математики, инженеры-механики, химики и даже экономисты. Студенты Института биомедицинских систем и технологий будут обучаться таким инновационным специальностям, как молекулярный дизайн и биоинформатика, биомедицинская техника и материалы, ядерная и квантовая медицина, клеточная и регенерационная медицина, нейробионика, медицинская робототехника. Подготовка медиков новой формации по программам магистратуры начнется уже осенью 2018 года. Планируется дополнительное образование медиков новой формации, которые будут получать на площадках СПбПУ и его партнеров "сверхнаучные" высокотехнологичные знания. Специалистов биомедицинского профиля СПбПУ готовит с привлечением базовых кафедр. Одна из них эффективно работает при Научно-исследовательском институте гриппа Минздрава России. Сотрудники НИИ читают для студентов курсы и проводят лабораторные работы, способствуя погружению молодых ребят в профессию. А с 1 сентября 2017 года начала работу образовательная программа "Технологии управления медицинской организацией" магистратуры МНОК "Трансляционная медицина", реализуемая в сетевой форме. Ученые Политехнического университета уже создали и передали в медицинские учреждения немало оригинальных лекарственных препаратов и технологий. Так, сотрудники Лаборатории медицинских технологий при центре "RASA-СПбПУ" под руководством профессора Гарвардского университета (США) Н.В. Васильева занимаются разработкой специализированных инструментов и компьютерных алгоритмов для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний. Они уже предложили проект "ожившее сердце", представляющий собой 3D-изображение сердца на основе данных МРТ и КТ, "кардиопорт" - платформу для безопасной доставки инструментов при операции на работающем сердце. В Лаборатории микрокапсулирования и управляемой доставки биологически активных соединений, так же осуществляющей исследовательскую работу в рамках центра "RASA-СПбПУ", под руководством профессора Лондонского университета королевы Марии (Великобритания) Г.В. Сухорукова с помощью наноинженерии создают управляемые системы-носители биологически важных веществ. Научный прорыв совершили и сотрудники лаборатории "Медицинская ультразвуковая аппаратура" Центра перспективных исследований под руководством Александра Берковича. Они разработали первый в России аппарат с диагностическим сканером для выявления и ультразвукового лечения раковых опухолей на ранней стадии без хирургического вмешательства. Он востребован при возникновении новообразований в молочной, щитовидной железах, почках, печени и других органах. При этом ультразвук применяется одновременно в диагностических, терапевтических и термометрических целях. Неинвазивный способ позволяет избежать хирургических шрамов и послеоперационных осложнений. Университет совместно с АО "Новосибирский приборостроительный завод" планируют внедрить эту разработку в производство и уже в 2019 году выпустить ее на рынок. Ультразвук оказался действенным средством и для лечения варикозного расширения вен. Предложенная учеными СПбПУ технология не имеет аналогов в мире. Сегодня, по данным Всемирной организации здравоохранения, от варикоза страдают десятки миллионов человек. Болезнь поражает вены нижних конечностей и венозные клапаны, обеспечивающие движение крови от ног к сердцу. Суть нового метода, не требующего больших финансовых затрат и объемного хирургического вмешательства, в том, что ультразвук "ищет" пораженный участок кровеносной системы. В зависимости от глубины его расположения в теле пациента компьютерная программа выбирает режим воздействия и фокусирует луч мощностью 10 кВт/кв. см в зоне лечения, нагревая ее до температуры 70-90 градусов Цельсия. Процедура лечения сосуда занимает считанные минуты. Количество заболеваний, в лечении которых могут успешно применяться аппараты терапии сфокусированным ультразвуком высокой интенсивности, неуклонно растет: нейропатические боли, аденомиоз, гипертония, а к 2020 году к ним добавятся паркинсонический тремор и обсессивно-компульсивное расстройство. Еще один прорыв в биомедицине, совершенный сотрудниками Научно-исследовательского комплекса "Нанобиотехнологии" СПбПУ, - создание безвредного для организма человека пептида, блокирующего систему адаптации бактерий к антибиотикам. Это их совместная работа со специалистами Петербургского института ядерной физики (НИЦ "Курчатовский институт"). Известно, что бактерии постоянно мутируют, приобретая способность преодолеть действие антибиотика. Полученный учеными пептид на генетическом уровне выключает системы ускоренной эволюции бактерий. Действенность метода уже доказана, получен патент "Семейство пептидов ‒ ингибиторов активности белка RecA, блокирующих SOS-ответ у бактерий". Это открытие должно вывести на новый уровень эффективность профилактики и лечения инфекционных и паразитарных болезней, снизить их длительность. Политехники давно уже ведут поиск биоагентов для лечения болезни Альцгеймера. Борьба с глобальным недугом, все шире распространяющимся по мере старения человечества, оказалась особенно привлекательной для научной молодежи. Недаром в политехническом на средства мегагранта Минобрнауки была учреждена и при поддержке гранта Российского научного фонда функционирует молодежная лаборатория молекулярной нейродегенерации. В ней, в частности, работают магистранты и аспиранты кафедры медицинской физики (заведующая доктор физико-математических наук Ольга Власова). Руководит лабораторией, где готовится "биомедицинский ответ Альцгеймеру", равно как и магистерской программой, выпускник СПбПУ, профессор Техасского университета (США) Илья Безпрозванный. Успешно ведутся работы в области разработки вакцины от ВИЧ в лаборатории молекулярной вирусологии и онкологии Центра перспективных исследований под руководством профессора Андрея Козлова. Еще одно биомедицинское направление - создание высокоточной техники для людей с ограниченными физическими возможностями. Она приводится в действие не механически, а с помощью нейронных сетей головного мозга. Например, для пациентки Научно-исследовательского детского ортопедического института им. Г.И. Турнера была сделана рабочая модель протеза руки. В рамках сотрудничества с Институтом травматологии и ортопедии имени Р.Р. Вредена, на 3D-принтере при помощи аддитивных технологий был выращен титановый протез тазобедренного сустава. Этот протез был удостоен Серебряной медали XI Международной ярмарки инноваций в Сеуле в 2015 г. Тогда же он стал первым в России проектом внедрения аддитивных технологий в производство высокотехнологичных изделий для медицины. При помощи цифровых технологий отсканировали сустав реального пациента, после чего выполнили модели из полистирола, на основе которых и сделали металлический протез. Изделие, обладающее сложнейшей геометрией, изготовлено из биоинертного материала, абсолютно безопасного для организма. Можно назвать и другие перспективные разработки, которые уже "на выходе", такие как создание и развитие нанососудов и нановолокна, трансплантируемых при замене кровеносных сосудов и внутренних органов человека. В ближайшее время больному из Санкт-Петербургского клинического научно-практического центра специализированных видов медицинской помощи (Онкоцентр) предстоит операция по протезированию нижней челюсти. Протез будет напечатан в СПбПУ на 3D-принтере и смоделирован в соответствии с анатомическими особенностями пациента. Первые биомедицинские центры не случайно возникли при ведущих университетах мира. Достижения Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого лишний раз показывают, какое значение имеет благоприятная инновационная среда для формирования междисциплинарного биомедицинского кластера. Рожденные здесь разработки - реальный вклад как в науку, так и в улучшение здоровья нации. Результаты исследований уверенно выходят за пределы лабораторий, превращаются в прорывные технологии, способные изменить подходы к лечению и здравоохранению в целом и обеспечить полноценную жизнь для многих людей. Медицина, как и инженерия, сегодня становится искусством. И миссия Политехнического университета заключается в том, чтобы, отвечая на основные вызовы современности, определяя пути для увеличения активной продолжительности жизни, обеспечить трансфер парадигм инженерно-физических и вычислительных технологий в сферу прорывного развития медицины будущего.