Нано-нюх: как квантовые компьютеры произведут революцию в обнаружении раковых клеток

1971 г. президент США Ричард Никсон с большой помпой объявил войну раку. Современная медицина, заявил он, должна наконец покончить с этой  напастью.
Но много лет спустя, когда историки оценили приложенные тогда усилия, вердикт оказался ясен: рак победил. Да, было некоторое продвижение в борьбе с ним при помощи хирургических методов, химио- и лучевой терапии, но количество смертей от рака так и оставалось высоким. Рак и сегодня второй по числу смертей убийца в США и не слишком отстает в этом от сердечно-сосудистых заболеваний. В 2018 г. он убил 9,5 млн человек по всему миру.

Фундаментальной проблемой для этой борьбы стало то, что ученые не знали, что такое рак на самом деле. Велись горячие споры о том, вызывается ли эта пугающая болезнь каким-то одним фактором или сложным набором самых разных факторов, таких как рацион питания, загрязнение окружающей среды, генетика, вирусы, радиация, курение или просто невезение.

Несколько десятилетий спустя достижения в генетике и биотехнологии помогли наконец получить ответ на этот вопрос. На самом фундаментальном уровне рак — это болезнь генов, но запустить его развитие могут отравленная среда, радиация и другие факторы — например, простое невезение. Более того, рак — вовсе не одна болезнь, а тысячи всевозможных типов мутаций в генах. Сегодня существуют целые энциклопедии различных типов рака, заставляющих здоровые клетки внезапно начать размножаться и в итоге убить хозяина.

Рак — невероятно многообразная и вездесущая болезнь. Его находят в мумиях возрастом несколько тысяч лет. Самое старое медицинское упоминание о нем датируется 3000 г. до н. э. и найдено в Египте. Рак находят не только у людей. Он обнаруживается всюду в животном царстве. Рак в определенном смысле — это плата за существование на Земле сложных форм жизни.

В высокоорганизованном существе, где в триллионах клеток в нужной последовательности протекают многочисленные химические реакции, клетки должны время от времени умирать и заменяться другими, что позволяет организму расти и развиваться. Многие из клеток младенца должны со временем умереть, проложив путь клеткам взрослого человека. Это означает, что клетки генетически запрограммированы на гибель, когда это необходимо; они приносят себя в жертву ради формирования новых сложных тканей и органов. Этот процесс называется апоптоз.

Хотя запрограммированная смерть клеток — часть процесса здорового развития организма, иногда происходят ошибки, способные случайным образом отключить эти гены, так что клетка, которая должна была бы погибнуть, продолжает активно плодиться. Такие клетки не могут перестать размножаться, и в этом смысле раковые клетки бессмертны. Собственно, именно поэтому они нас и убивают — они бесконтрольно размножаются и образуют опухоли, которые со временем парализуют жизненно важные функции.

Иными словами, раковые клетки — это обычные клетки, которые разучились умирать.

Часто формирование рака занимает много лет или даже десятилетий. К примеру, если ребенком вы сильно обгорели на солнце, то через несколько десятилетий у вас на этом самом месте может возникнуть рак кожи. Дело в том, что рак вызывается не одной мутацией. Проходят годы и десятилетия, прежде чем соберутся вместе несколько мутаций, которые затем вместе отключат наконец способность клетки контролировать размножение.

Но если рак настолько смертелен, то почему эволюция не избавилась от этих дефектных генов миллионы лет назад посредством естественного отбора? Ответ в том, что рак, как правило, включается уже после окончания репродуктивного периода, так что эволюционное давление, требующее устранить эти гены, невелико.

Мы иногда забываем, что инструменты эволюции — естественный отбор и случай. Поэтому, несмотря на то что механизмы, делающие жизнь возможной, замечательны и даже чудесны, они представляют собой побочный результат случайных мутаций на протяжении миллиардов лет проб и ошибок. Следовательно, мы не можем ждать от своего организма идеальной защиты от смертельных болезней. А если учесть, насколько огромно число мутаций, связанных с раком, то просеять всю эту гору информации и добраться до фундаментальных причин болезни без квантовых компьютеров, скорее всего, не получится. Квантовые компьютеры идеально приспособлены для борьбы с болезнью, у которой такое множество сбивающих с толку проявлений. Со временем они, возможно, создадут для нас совершенно новое поле боя, на котором мы сможем противостоять неизлечимым болезням, таким как рак, болезни Альцгеймера и Паркинсона, боковой амиотрофический склероз и другие.

Жидкостная биопсия

Как человек узнает, что у него рак? К сожалению, во многих случаях это долго остается неизвестным. Признаки рака иногда бывают смазанными или трудноразличимыми. Так, к моменту, когда формируется опухоль, в организме могут присутствовать уже миллиарды растущих раковых клеток. Если злокачественная опухоль обнаруживается, врач почти сразу может рекомендовать пациенту хирургическое вмешательство, курс лучевой или химиотерапии. Однако иногда бывает уже поздно.

Но что, если бы можно было остановить распространение рака, распознавая аномальные клетки задолго до формирования опухоли? В обеспечении подобных методов ключевую роль могут сыграть квантовые компьютеры.

Сегодня при обычном визите к врачу мы сдаем кровь на анализ и можем на основании результатов получить справку о здоровье. Тем не менее нередко характерные признаки рака проявляются позже. Поэтому вы можете задать себе вопрос: почему простой анализ крови не в состоянии выявить рак?

Дело в том, что наша иммунная система, как правило, не умеет распознавать раковые клетки. Они как бы невидимы для радаров. Раковые клетки не чужаки и не пришельцы, которых иммунная система легко замечает. Это наши собственные клетки, которые «сошли с ума», поэтому они остаются незамеченными. И именно поэтому анализы крови, проверяющие иммунный ответ, не в состоянии определить присутствие рака.

Однако уже более 100 лет известно, что раковые опухоли сбрасывают клетки и молекулы в биологические жидкости организма. Так, раковые клетки и молекулы можно обнаружить в крови, в моче, в спинномозговой жидкости и даже в слюне.

К несчастью, такое обнаружение возможно только в том случае, если в организме уже растут миллиарды раковых клеток. К этому моменту для удаления опухоли обычно уже нужна операция. Но недавно генная инженерия дала нам наконец возможность распознавать раковые клетки, плавающие в нашей крови или в других биологических жидкостях нашего тела. Когда-нибудь этот метод, возможно, станет достаточно чувствительным, чтобы замечать раковые клетки, даже если их в организме всего несколько сотен; это даст человеку несколько лет до формирования опухоли и позволит принять должные меры.

Но лишь в последние несколько лет у обычного человека появилась возможность создать систему раннего предупреждения для рака. Одно из перспективных направлений исследований называется жидкостной биопсией; это быстрый, удобный и гибкий способ распознавания рака, который может произвести настоящую революцию в диагностике заболевания.

«В последние годы клиническое развитие жидкостной биопсии рака — революционного инструмента скрининга — внушает большой оптимизм», — пишут Лиз Кво и Дженна Аронсон в журнале The American Journal of Managed Care.

В настоящее время жидкостная биопсия способна распознавать до 50 различных типов рака. Со временем, вероятно, в ходе стандартного визита к врачу можно будет распознавать рак за многие годы до того, как он станет смертельно опасным.

В будущем даже унитаз у вас дома станет достаточно чувствительным, чтобы регистрировать признаки раковых клеток, ферментов и генов, циркулирующих в биологических жидкостях организма, так что рак окажется не опаснее обычной простуды. Всякий раз при посещении туалета вас будут незаметно проверять на рак. Возможно, именно «умный унитаз» станет нашей первой линией обороны.

Хотя рак вызывают тысячи различных мутаций, квантовые компьютеры научатся распознавать их все, чтобы по простому анализу крови определять десятки возможных видов рака. Не исключено, что наш геном можно будет прочитывать ежедневно или еженедельно и сканировать при помощи удаленных квантовых компьютеров в поисках признаков вредоносных мутаций. Конечно, это не метод лечения рака, такая практика позволит предотвращать распространение раковых клеток, так что эта болезнь станет не слишком опасной.

Многие задают простой вопрос: почему врачи не умеют лечить обычную простуду? На самом деле умеют. Но поскольку существует более 300 риновирусов, способных вызвать простуду, к тому же они постоянно мутируют, нет смысла разрабатывать 300 вакцин, пытаясь поразить эту подвижную мишень. Мы просто живем с этими вирусами.

Таким же может оказаться и будущее исследований по раку. Вместо смертельного приговора эта болезнь со временем будет рассматриваться всего лишь как неприятность. Поскольку генов рака существует так много, разрабатывать лекарства против каждой из его разновидностей, вероятно, бессмысленно. Но если при помощи квантовых компьютеров мы будем способны обнаружить раковые клетки за несколько лет до их серьезного распространения, когда это будет всего лишь небольшая колония из нескольких сотен клеток, то, наверное, будет реально остановить развитие болезни.

Иными словами, в будущем у всех нас, возможно, и будет рак, но он вряд ли приведет к смерти пациента.

«Вынюхать» рак

Еще один способ обнаружения рака на ранних стадиях, возможно, заключается в использовании датчиков, регистрирующих слабые запахи, испускаемые раковыми клетками. Может быть, когда-нибудь ваш сотовый телефон, снабженный специальной приставкой для регистрации запахов и подключенный к квантовому компьютеру в облаке, поможет вам защитить себя не только от рака, но и от целого ряда других болезней. Чтобы остановить рак, квантовые компьютеры будут анализировать результаты, получаемые с миллионов «роботизированных носов» по всей стране.

Анализ запаха — надежная диагностическая процедура. К примеру, в аэропортах для выявления коронавируса иногда используют собак. Если обычный ПЦР-тест на коронавирус может занять несколько дней, то специально обученная собака способна с 96%-ной вероятностью распознать носителя вируса секунд за десять. Этот метод уже используется для проверки пассажиров в аэропорту Хельсинки и в других местах.

Собак обучают на распознавание рака легких, груди, яичников, мочевого пузыря и предстательной железы. Мало того, собаки определяют рак простаты по запаху мочи пациента с 99%-ной точностью. В одном из исследований собаки определяли рак груди с точностью 88%, а рак легких — с точностью 99%.

Дело в том, что у собаки в носу располагается 220 млн запаховых рецепторов, тогда как у человека их всего 5 млн. Так что собачье чутье во много раз чувствительнее и точнее, чем человеческое. Оно настолько точное, что способно распознавать концентрации до одной триллионной, что эквивалентно одной капле жидкости на двадцать больших плавательных бассейнов. А отдел мозга собаки, занятый анализом запахов, намного больше соответствующего отдела у человека.

Однако у этого метода есть и недостаток: дрессировка собаки на распознавание коронавируса или рака занимает несколько месяцев, и таких специально обученных собак всегда не хватает. Нельзя ли проводить эти анализы при помощи технических средств и в таком масштабе, который позволил бы спасти миллионы жизней?

Вскоре после 11 сентября 2001 г. одна телекомпания пригласила меня на обед, где обсуждались технологии будущего. Мне выпала честь сидеть рядом с представителем DARPA (Агентство перспективных оборонных исследований) — отделения Пентагона, известного своими разработками технологий будущего. На счету DARPA длинный список впечатляющих успешных проектов, таких как NASA, интернет, автомобиль без водителя и стелс-бомбардировщик.

Так что я задал представителю этой организации вопрос, который всегда меня беспокоил. Почему мы не можем разработать датчики, обнаруживающие взрывчатку? Собаки легко выдают результаты, которые лучшие наши машины выдать не способны.

Он немного помолчал, а затем неспешно объяснил мне разницу между собаками и нашими самыми совершенными сенсорами. На самом деле DARPA в свое время тщательно изучило этот вопрос и отметило: обонятельные нервы собаки настолько чувствительны, что могут заметить присутствие даже отдельных молекул определенных запахов. Искусственные датчики, разработанные в наших лучших лабораториях, не в состоянии даже близко подойти к этому уровню чувствительности.

Через несколько лет после этого разговора DARPA проспонсировало специальный конкурс, чтобы посмотреть, не могут ли лаборатории создать роботизированный нос, сравнимый с собачьим.

Одним из тех, кто услышал об этом конкурсе, был Андреас Мершин из Массачусетского технологического института (МТИ). Его всегда завораживала особая способность собак распознавать целый ряд болезней и недомоганий. Впервые Мершин заинтересовался этим вопросом, когда изучал методы диагностики рака мочевого пузыря. Один пес настойчиво указывал на одного конкретного пациента как пораженного раком, хотя многочисленные проверки

ничего не показывали. Что-то здесь было не так. Пес своего мнения не менял. В конце концов пациент согласился на дополнительное обследование — и у него нашли рак мочевого пузыря в очень ранней стадии; по существу, на этом этапе болезнь невозможно было обнаружить при помощи стандартных лабораторных тестов.

Мершину захотелось повторить этот поразительный успех. Его целью стало создание «нано-носа» с микродатчиками, способными распознавать рак и другие заболевания, а затем высылать предупреждение на сотовый телефон пациента. Сегодня ученые МТИ и Университета Джона Хопкинса разработали микродатчики, которые в 200 раз чувствительнее собачьего носа.

Но, поскольку эта технология пока остается экспериментальной, стоимость анализа одного образца мочи на рак составляет 1000 долларов. Тем не менее Мершин предвидит тот день, когда эта технология станет столь же обычной, как камера в вашем смартфоне. Но, учитывая невероятные объемы данных, которые смогут поступать от сотен миллионов сотовых телефонов и датчиков, только квантовым компьютерам будет под силу обрабатывать весь этот поток. Затем в дело вступит искусственный интеллект, который проанализирует сигналы, выявит маркеры рака и направит информацию обратно пользователям — возможно, за несколько лет до формирования реальной опухоли.

В будущем, вероятно, у нас появится несколько способов без шума и усилий распознать рак, прежде чем он начнет представлять серьезную опасность. Скорее всего, после жидкостной биопсии и работы датчиков запахов данные будут передаваться квантовому компьютеру, способному распознать десятки различных типов рака. Слово «опухоль» может вообще уйти из обращения в английском языке, примерно так же, как сегодня практически не употребляются слова «кровопускание» и «пиявки».

Но что происходит, если рак уже сформировался? Могут ли квантовые компьютеры помочь в лечении этой болезни, если она уже атакует организм?