Category: наука

Category was added automatically. Read all entries about "наука".

living industry

Обзор интересных постов в блоге Defense Network 2010-2013

Из книги "Индустрия человека". От автора - авторское слово из книги.
Создавая немыслимое: российская DARPA - о том, что создавая действительно нужные вещи необходимо из разу в раз не унывать, а верить в светлое будущее.
Воля и мужество в технологических прорывах будущего - это очень важно, и от этого зависит всё.
Неудержимый рост: система оборонных исследований США - статья, с которой начался проект Defense Network.
Регенеративная медицина: перспективы развития в России - в ближайшее время человечество получит возможность восстанавливать и полностью воссоздавать целые органы человеческого тела. С помощью технологий регенеративной медицины уже сейчас можно создать такие органы и ткани как мочевой пузырь, кровеносные сосуды, трахею и уретру.
Инфраструктура проекта "Индустрия человека" - это мечта. Но чтобы она стала доступной к пониманию и дальнейшему развитию, она должна быть реализована в виде понятных подавляющему большинству граждан государственных и общественных институтов, форм и реализаций инфраструктуры.
Defense Research: оборонные исследования в XXI веке - эволюция ядра оборонных исследований из XX в XXI век.


Collapse )

Бионика 2.0. Биологическая кибернетика как мост между здоровьем человека и его средой обитания

9 апреля 2021 года президент США направил в Конгресс проект бюджета на 2022 финансовый год, в котором революционным событием стал официальный старт аналога DARPA в области здравоохранения - ARPA-Health. Новое агентство займется передовыми исследованиями по созданию терапии болезни Альцгеймера, диабета и других возраст-зависимых заболеваний. Это долгожданное событие уже несколько лет готовилось “выпускником” DARPA, полковником медицинской службы Джеффри Лингом, который провел прецизионные PR- и GR-кампании продвижения этой идеи.

Стоит отметить, что в одной только инициативой в области передовых проектов здравоохранения администрация нового президента не ограничилась. В этом же документе стояло создание и второго агентства передовых исследовательских проектов - ARPA-Climate, в области исследований по охране окружающей среды. Собственно таких агентств бывшим советником по науке Обамы и полковника медицинской службы было предложено несколько: Здоровье (ARPA-Health), Сельское хозяйство (AgARPA), Окружающая среда (EnARPA), а также Транспорт и инфраструктура (TARPA).

Collapse )

Радиотехника, кибернетика и биология

Московский физико-технический институт изначально был создан как уникальное учебное заведение, которое готовит инженеров-исследователей. Созданные при организации института четыре факультета вели подготовку студентов в области радиофизики, радиотехники, физической химии и аэромеханики. Поступившие на обучение студенты первые три курса занимались фундаментальной подготовкой, и начиная с 3-4-го курса получали возможность выбрать базовую кафедру, где в течение трех лет можно было бы проходить практику.

Осенью 1958 года трое студентов-четверокурсников с радиотехнического факультета приступили к занятиям в Институте радиотехники и электроники АН СССР, где тогда проводили исследования физических процессов и разработкой теории явлений, происходящих в электронных приборах при радиочастотах, но довольно быстро разочаровались в радиотехнической проблематике. Действительно, Юрий Гуляев в этом году только поступил в аспирантуру и значит, что акустооптический эффект еще даже не был открыт, а заниматься адаптацией принципов Массачусетской серии книг по радиолокации к созданию сверхвысокочастотных ламп обратной волны казалось довольно скучным занятием. Однако в этом же 1958 году в издательстве «Советское радио» вышел перевод книги Норберта Винера «Кибернетика и общество», в котором автором показал альтернативные пути приложения кибернетической науки – к проблемам развития общества, физиологии и биологии.

Collapse )

Диссертация

Рад сообщить, что 20 декабря 2018 глда в НИИ общей патологии и патофизиологии прошла защита моей кандидатской диссертации по теме «Многослойная тканеинженерная конструкция на основе биодеградируемых и биосовместимых материалов для восстановления поврежденных желчных путей».

Аннотация
Цель: Создать и оценить биологическую и физиологическую совместимость многослойной тканеинженерной конструкции желчного протока, основу которой составляет микроволокнистый каркас из биодеградируемого и биосовместимого полимера, с двухслойной адгезией на нем клеток, длительная дренажная функция которого обеспечивается его предварительной витализацией.

Материал и методы: В работе использованы методы хирургического эксперимента, конфокальной и электронной микроскопии, иммуно-ферментного анализа, измерения клеточного индекса в реальном времени, гистологии, иммуногистохимии, а также комплекс методов клеточной биологии в условиях ЦКП «Регенеративная медицина». Образцы биосовместимых каркасов получены методом электроспиннинга из волокнистого поликапролактона, сополимеров молочной и гликолиевой кислот, диацетата целлюлозы и других полимеров. Методом эмульсионного электроформования были получены биосовместимые образцы микроволокнистого поликапролактона, содержащие биологически активные соединения GFP, EGF и генотерапевтический препарат «Неоваскулген» (плазмида VEGF165). Оценка высвобождения биологически активных соединений, их биологической активности in vitro и влияние на окружающие ткани проведены в лабораторных условиях, на клеточных культурах in vitro, а также при имплантации in vivo. Использовались 4 типа клеточных культур и 2 вида лабораторных животных. Проведены морфологические исследования эксплантированных образцов методами гистологии и иммуногистохимии. Для заселения биосовместимых микроволокнистых образцов использовались методы статичного, динамического и тканевого культивирования. Работа с лабораторными животными выполнялась в Центральном виварии Первого МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России.

Результаты и их новизна: Впервые разработан и обоснован дизайн тканеинженерной конструкции желчного протока из модифицированных и комбинированных материалов, которая предназначена для предотвращения возникновения не только ранних, но и поздних послеоперационных осложнений при восстановительных операциях на желчных путях. Определено, что физиологическая совместимость многослойных каркасов с физико-механическими свойствами, соответствующими свойствам нативных тканей, может быть достигнута при использовании метода эмульсионного электроспиннинга. Установлено, что витализация каркаса тканеинженерной конструкции препаратом «Неоваскулген» и эпидермальным фактором роста обеспечивает пролонгированный и контролируемый выход веществ по мере резорбции каркаса для обеспечения ангиогенной функционализации трансплантата.

Степень и эффективность внедрения: Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре госпитальной хирургии лечебного факультета и в практическую деятельность Отдела передовых клеточных технологий Института регенеративной медицины Первого МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России.

Применение: Разработанные способы получения биологически и физиологически совместимых тканеинженерных конструкций могут быть использованы в качестве элементов биоконструктора для получения моделей полых эпителиальных органов.

Theranos : история вопроса

История инновационной стартап-компании Theranos, Inc. вызывала неизменный интерес у публики - начиная от ошеломляющей истории успеха, заканчивая внезапным и отчаянным пике. Представляя миру спич о разработке, которая казалась крайне привлекательной, компания собирала восхищения и капитал. Впоследствии, теряя репутацию и деньги по причинам, которые до сих пор никто и не разобрал, компания получила от тех же самых людей гроздья гнева и презрения.
Попробуем разобраться в истории компании Theranos, причинах скандала и основных ошибках на этом пути.



Идея

Примерно с 2004 года Элизабет Холмс продвигала стартап по разработке технологий, которые бы удешевили лабораторный анализ крови, и сделали бы возможным его проведение "по месту нахождения пациента" (концепция point-of-care). По информации в открытых источниках за первые 2 года компания собрала $45 млн. в трех раундах ($6М (2004) + $10М (2006) + ок.$30М (2006+) от пула фондов (Draper Fisher Jurvetson, ATA Ventures, Tako Ventures, Continental Properties). В 2010 году компания привлекла еще $45 млн. от неизвестного (?) инвестора. Однако, компания выходила на рынок, на котором к тому времени с переменным успехом работало множество крупных игроков (Abbott, Philips, Roche, Siemens, и др.). Домашние тест-системы биохимических параметров крови (за исключением домашних глюкометров) пользовались ограниченным сросом, а затраты входа и работы на рынке были достаточно велики. Небольшие компании-стартапы, как правило, продавались большим игрокам (i-Stat Corporation, 2003) либо исчезали. По всей видимости, инвестиционная модель Theranos предусматривала именно такой выход для инвесторов, но что-то пошло не так.


Критический момент

2010 год стал поворотным в развитии компании: привлечение $45 млн. (ссылк на уведомление в SEC) от некоторого инвестора (?), с оценкой R&D-компании без каких-либо продаж в $1 млрд. кажется просто невероятным!! Однако, дальнейшее приглашение в совет директоров чиновников и людей из оборонного сектора заставляет предположить, что инвестиции предполагалось получить из весьма специфичных венчурных фондов (доклад "Венчурные фонды и другие перспективные технологии для национальной разведки"). Но это только предположение.
С 2003 года компания Theranos заявила 23 патента. Возможно, планировалась продажа стартапа с накопленным багажом патентов, но кризис 2008-2009 годов нарушил эти планы. Средства предыдущих раундов заканчивались, а на рынок выходили все новые продукты.
В 2011 году компания начинает "надувать пузырь". В совет директоров приглашаются экс-чиновники высокого уровня (бывшие госсекретари, сенаторы, адмиралы в отставке). Трудно сказать, какой именно бизнес-модели придерживался совет директоров, но по всей видимости речь идет о GR-активности по дерегулированию рынка медицинских анализов в отдельных штатах, с последующим его захватом, и только потом экспансия по всем США.  В 2013 году заключается партнерское соглашение с национальной сетью аптек Wallgreens по открытию точек забора анализов.


Рождение легенды

Theranos меняет бизнес-модель, ориентируясь на B2C-сегмент, и начинается история анализа по капле крови. Дальнейшая история описана хорошо и всеьма подробно. Концепция доступных анализов по капле крови, причем быстрее и дешевле конкурентов. Взлет (http://vademec.ru/article/zherlo_kholms/) и падение (https://geektimes.ru/post/276732/).


Успехи и неудачи

В подобных громких историях, как правило, виновато не одно событие, но целая последовательность. Попробуем разобраться, в чем могли быть настоящие ошибки.

  • Можно предположить, что даже если бы чудо-машина Edison в действительности была создана, а тесты - зарегистрированы FDA, компанию Theranos весьма вероятно ожидал бы трагичный финал. Дело в том, что бизнес-модель компании ориентировалась на снижение цены в 2-4 раза по сравнению с независимыми лабораториями, и в 4-10 по сравнению с лабораториями при госпиталях. Сделать подобное можно как минимум двумя способами: 1) снизить себестоимость анализа за счет снижения потребности в реактивах и затратах на лабораторный перснал; 2) увеличивая охват рынка, и снижая затраты на маркетинг. Theranos двигалась одновременно по двум путям.

  • В структуре цены лабораторного анализа его стоимость реагентов составляет от 2% (биохимия) до 15% (иммунология), уступая затратам на персонал (в первую очередь, офисы продаж) и маркетинг. Делая ставку на чудо-машину Edison, компания уверенно боролась за снижение цены примерно на 10%.

  • Компания боролась и за рынок. Холмс успешно лоббировала закон в штате Аризона, позволяющий людям делать тесты своей крови без назначения врача (House Bill 2645, принят в апреле 2015). Потенциально это сыграло бы для здоровых людей среднего возраста со средним доходом, не попадающим под Obamacare, которые могли бы сэкономить до $200-370 на обращении к терапевту (из невыбираемой за год франшизы). Сейчас ситуация на этом зарегулированном рынке может поменяться.

  • Нужно понимать и специфику рынка лабораторных услуг. Например, общий анализ крови в разных лабораториях штата Техас может стоить от $6 до $77, в зависимости от формы оплаты (наличные или страховка). На этом фоне экономия 10% (от $6) может легко затеряться.

  • В этот момент оказалось, что разработать альтернативу промышленному лабораторному оборудованию от крупных произодителей совсем не так просто. Выход полнофункциональой "машины" Edison откладывался, и руководством было принято решение использовать стандартные для рынка решения.

  • Использование стандартного лабораторного оборудования от Siemens - хорошая идея для начала захвата рынка, когда у компании имеется достаточно средств инвесторов, а готового продукта пока еще нет. Однако катастрофой это решение сделало совсем другое. Использование инновационных микро-контейнеров "Nanotainer" собственной разработки, в которые помещалось от 25 до 50 микролитров капиллярной крови (в отличае от существующих пробирок, в которые помещается 3000-5000 микролитров, и как правило - венозной), это привело к самой ужасной ошибке, связанной с влиянием на результат стандартной инструментальной погрешности лабораторного оборудования.

  • Например, для машин серии ADVIA (Siemens Healthcare Diagnostics) такая погрешность для иммуноанализов составляет 2-3% от референсного значения, а для биохимических анализов около 2%. Как правило, приемлемой считается стандартная погрешность до 10%.

  • В случае разбавления образца буфером в 30-100 раз только погрешность лабораторного оборудования составит 50-100% от измеряемого показателя, а вариации в капиллярной крови и влияние случайной погрешности делали результаты в принципе непредсказуемыми, что делало любые количественные анализы просто бессмысленными. Именно это и выяснили репортеры Wall Street Journal в своем расследовании.





Итоги

Крах любой компании, как правило, основан не на единственной, но на целой плеяде ошибок и заблуждений менеджмента. Theranos - это прежде всего проблемы с экономикой и биофизикой. Экономическое заблуждение, что с помощью микрофлюидных систем можно снизить стоимость анализа образца в большой лаборатории, без существенного увеличения потребности со стороны клиник. Биофизические проблемы, связанные с оценкой физических возможностей по разрешению и погрешностям существующих методов. Стратегические ошибки в прогнозах инвестиционной политики и последствий финансового кризиса. Неправильные (некомпетентные?) инвесторы. Ставка на GR, как на ключевой инструмент выхода компании на новые рынки и (???) поиска инвестиций. Переоценка значения чудо-машины Edison на бизнес компании в секторе клинической лабораторной диагностики, и недооценка стоимости ее разработки. Решение об использовании Nanotainer'ов собственной разработки для поддержания сервиса "малоинвазивного забора образцов", хотя стандартные лабораторные решения были не готовы к количественным измерениям для таких объемов биопроб. Несвоевременный (ранний?) выход на рынок услуг лабораторной диагностики. Запоздалое решение выхода на рынок "домашних" POC-систем, для которых повышенные значения standard errors намного более приемлемы. Отсутствие обратной связи (и возможно и внутренних реакций) на внешние раздражители в течение десятилетия.

Международные соревнования по генной инженерии IGEM-2015

28 сентября завершился финал 12-х ежегодных Международных соревнований по генной инженерии IGEM-2015. В чемпионате принимали участие более 280 команд из 39 стран мира - всего более 2700 человек. Проекты участников оценивались по критериям наличия работоспособного прототипа, добавление или улучшение какого-либо модуля из каталога BioBrick (http://parts.igem.org/Main_Page), оказание действенной помощи какой-либо другой команде-участнице.

Номинаций финалистов было довольно много - это и специализированное программное обеспечение, проекты в области промышленного производства, питания, образования, здравоохранения, защиты окружающей среды, и т.д.


           Рассмотрим подробнее биомедицинские проекты соревнований.

Победителями в номинации “Медицина и здравоохранение” стали 2 проекта - BGU_Israel из Университета Бен-Гуриона, Израиль (участники старше 23-х лет) и Czech_Republic из Университета Западной Богемии, Чехия (участники моложе 23-х лет).

Проект команды BGU_Israel посвящен разработке системы для выявления и уничтожения раковых клеток. Разработанная командой система “Бумеранг” предусматривает реагирование на два соединения, специфичных для раковых клеток, - белка сурвинин (его наличие в клетке запускает транскрипцию специфичной gРНК), и фермента теломеразы (наличие в клетке запускает транскрипцию комплекса Cas9). В зависимости от gРНК данная система может сигнализировать об обнаружении раковой клетки путем экспрессии флуоресцентных белков, или выделять в биологические жидкости специфичные маркеры, или же - нарушать деление раковой клетки и запускать ее самоубийство (апоптоз). Наличие одновременно двух необходимых для запуска системы факторов не позволит ей стартовать и уничтожать здоровые клетки. В качестве вектора доставки в проекте использовался аденоассоциированный вирус (AAV). Собственно, вирусологическая часть в проекте проработана слабее, и для какого-то (в теории) практического использования ребятам еще предстоит поработать с белками вирусного капсида и системой репликации. Команда BGU_Israel приводит ссылки на разработанный препарат Glybera http://www.ema.europa.eu/ema/index.jsp?curl=pages/medicines/human/medicines/002145/human_med_001480.jsp&mid=WC0b01ac058001d124, однако именно этот препарат использует природную тропность AAV к мышечным клеткам. В общем, с решением вопросов доставки и персонализации придется over 90% всей работы в будущем.

Проект команды Czech_Republic посвящен разработке репортерной системы для выявления циркулирующих опухолевых клеток в крови. Проблема с ЦОК в том, что их очень мало, окрасить и выявить их необычайно сложно даже в случае, если знать о каком типе онкологии идет речь ввиду сложных комбинаций поверхностных маркеров. Команда проекта IOD использовала оригинальную систему на основе межклеточной коммуникации дрожжей в пробирке. Наличие определенных рецепторов или трансмембранных белков на поверхности ЦОК запускает в модифицированных дрожжах экспрессию феромонов, заставляющих в процессе гаплоидного спаривания другие дрожжи разрастаться в направлении источника. В результате образовавшийся комочек дрожжей вокруг ЦОК становится видно даже невооруженным глазом, а дрожжевой фенотип позволяет идентифицировать, о какой онкологии может идти речь. Собственно, практическое использование элемента межклеточной коммуникации и определило победу команды.

Среди других команд-номинантов нужно отметить ETH_Zurich (система обнаружения ЦОК с помощью генноинженерных бактерий, реагирующих на повышенной продукцией лактата), Freiburg (система выявления антител в плазме крови человека), Stockholm (химерные бактериальные рецепторы для обнаружения биомаркеров онкологических заболеваний), Edinburgh (биосенсоры на основе иммобилизированных на бумаге ферментах), Peking (репортерная система на основе dCas9 для выявления патогенной ДНК оптическим детектором), Oxford (генноинженерные бактерии, выделяющие ферменты для разрушения биопленок), NJU-China (миРНК-терапия опиоидной зависимости, при этом для преодоления гематоэнцефалического барьера доставка осуществляется в RVG-ориентированных экзосомах).

Сборник задач по инженерной биологии

По следам работы группы геномики и синтетической биологии ‪#‎synbio‬ вспомнил школьный сборник задач по физике, предисловие к которому открывалось словами: "Сказки помогают детям познать мир взрослых, задачи же служат аналогичной цели при знакомстве студента с физикой..." http://ikfia.ysn.ru/images/doc/Obshaya_fizika/KozelRashbaSlavatinskij1978ru.pdf

Поскольку часто получается так, что "задача решена в тот момент, когда она поставлена", то постарался собрать многие обсуждаемые нами идеи в форме задач "на подумать".
Какие биологические задачи могли бы расширить горизонты как инженера-конструктора, так и бюрократа-чиновника, или может быть даже молекулярного биолога?



Одним из величайших сборников задач по молекулярной биологии является Molecular Biology of the Cell 6E - The Problems Book [John Wilson, Tim Hunt] (2014 г.), первое издание которой увидело свет в 1989 году. Шестое издание сборника задач было существенно переработано, добавлены новые задачи и даже главы, а иллюстрации стали цветными. Сами задачи, без решений можно скачать по ссылкам:
1. https://www.dropbox.com/s/4iswqp291kjys28/MBC%20Problems%20Book%2001-11.pdf?dl=0 (главы 1-11) - осторожно, 240 МБ!
2. https://www.dropbox.com/s/c7cghnldyxd9zjd/MBC%20Problems%20Book%2012-20.pdf?dl=0 (главы 12-20) - осторожно, 190 МБ!

А также на русском языке: Дж.Уилсон, Т.Хант "Молекулярная биология клетки. Сборник задач" (главы 5-14) (1994 г.)
https://www.dropbox.com/s/p5aupprw88vdrkv/Uilson_Khant_Molekulyarnaya_biologia_kletki_Sbo.djvu?dl=0

DARPA-2016: на заре биологического Интернета


В начале февраля 2015 года опубликован очередной годовой бюджет агентства DARPA на 2016 год. По сравнению с прошлым годом он увеличен на 2% — до 2 миллиардов 972 миллионов долларов. Стоит отметить существенное увеличение статей прикладных исследований. Причем в прошлом году Конгрессом дополнительно было выделено 45 миллионов долларов на прикладные биомедицинские технологии – это единственная корректировка бюджета агентства за прошлый год (средства пошли на разработку технологий получения новых рекомбинантных антител против лихорадки Эбола).

Подробнее:
http://d-russia.ru/darpa-2016-na-zare-biologicheskogo-interneta.html

Всесоюзный институт экспериментальной медицины

Век живи - век учись. Открыл для себя историю Академии медицинских наук. Оказывается первые десять институтов Академии медицинских наук СССР в 1944 году были созданы на основе лабораторий и отделов предполагавшегося биомедицинского гиганта - Всесоюзного института экспериментальной медицины им.А.М.Горького (ВИЭМ).
1. В середине 1930-х предполагалось, что ВИЭМ объединит медицинскую и биологическую науку для всестороннего изучения закономерностей человеческого организма в условиях нормы и патологии. Основным лоббистом этого проекта до 1934 года был Максим Горький, которого увлекали идеи продления жизни человека.
2. ВИЭМ должен был заняться новыми на тот момент направлениями - трансплантологией, иммунологией, геронтологией и гериатрией, биохимией рака, микробиологией, и иными направлениями.
3. Организационная часть реализации столь масштабной идеи была не менее монументальной. На огромной территории в московском Щукино предполагалось строительство целого биомедицинского городка с НИИ и клиниками. Сейчас на его месте расположены Курчатовский институт, несколько атомных НИИ, ФМБЦ им.Бурназяна и другие медицинские НИИ.
4. Можно предположить, если бы не война, место масштабного Атомного проекта в истории СССР вполне мог бы занять Биомедицинский, инфраструктура которого была проработана на тот момент гораздо тщательнее. Единственное, что на тот момент объективно стояло на пути подвижников этого проекта - отсутствие методов молекулярной биологии, время развития которой придет только через 20-30 лет.
5. Нет ничего сильнее идеи, время которой пришло. Время пришло, и конечно же именно в этот момент РАМН забыла зачем ее создавали. Дождавшись прогресса в области молекулярной биологии, биологии развития и нейрофизиологии, в самый важный момент, когда требовалось самособраться в структуру передовых исследований - РАМН без бою сдалась бюрократам.




Collapse )

Программа DARPA 2015

Исследовательским сообществом Defense Network были проанализированы и переведены на русский язык программы Агентства передовых оборонных исследовательских проектов Минобороны США  (DARPA) на будущий 2015 год.
Содержание этих программ охватывает следующие основные направления - биологические, военно-медицинские, электронные, аэрокосмические, тактические и сенсорные технологии.
Ключевой особенностью 2014 года стало обособление биологических технологий в новое структурное подразделение для приложения инженерного инструментария биологии к решению перспективных задач национальной обороны и безопасности.
Предлагаемые к изучению основное содержание и ожидаемые результаты программ исследований DARPA на 2015 год предназначены для ознакомления сотрудников и руководителей федеральных органов исполнительной власти, научно-исследовательских центров и институтов, университетов, высокотехнологичных компаний и некоммерческих организаций.




UPD. Прямая ссылка на скачивание отчета в формате .pdf