Budoucnost medicíny

Jako pavouk z plastu a oceli visí robot nad hrudníkem pacienta. Dlouhé jehly pronikají kůží a zavádějí kamery, kleště a skalpely. S nimi zvládne chirurg sedící vedle u obrazovky odstranit prostatu, opravit srdeční chlopeň nebo oddělit vejcovod. Dokonce i rány nakonec sešije s extrémní přesností pomocí sofistikovaných joysticků a nožních pedálů.

Rozhraní člověk-stroj

Tato scéna z propagačního videa výrobce lékařských robotů je velkolepá a děsivá zároveň. Měli bychom si na ni však raději začít zvykat. Takové stroje se používají v operačních sálech již patnáct let a pracují i v českých špičkových nemocnicích. Mnohem zajímavější je ale druhá zúčastněná strana: chirurg, kterému je na videu přisouzena jen vedlejší role. A i když stále na obrazovce ovládá chirurgické nástroje pomocí speciálních ručních joysticků a pedálů, poselství je jasné: dokonce ani operační sál není v bezpečí před automatizací. Dříve nebo později i zde člověka nahradí přesný stroj, který zatím dnes ještě člověk ovládá.

A samozřejmě už existují prototypy, které mohou provádět některé chirurgické zákroky zcela bez lidského zásahu. Používají rentgen, ultrazvuk a řadu dalších údajů z čidel, aby na základě věrného trojrozměrného funkčního modelu svých pacientů mohly rozvíjet a realizovat operační strategie. První výzkumné skupiny už také pracují na nanobotech schopných plavat v krevním řečišti, stopovat rakovinné buňky nebo podporovat imunitní systém.

Lékařská věda se v posledních letech dočkala překvapujícího množství velkolepých úspěchů. Její největší pokrok je ale ještě před námi. To, co před 200 lety začalo jako odpověď na výzvy průmyslové revoluce, teprve teď, v informačním věku, skutečně rozkvétá. Poté, co medicína už dávno prohlásila člověka za opravitelný stroj, stal se člověk s využitím nejmodernějších technologií jen souborem informací - a tím i součástí algoritmické revoluce. Pokud technika a lékařství splynou v jedno, mohly by se rozšířit hranice lidské existence. Medicínu, chcete-li, čeká závratná budoucnost.

Individuální výroba náhradních lidských dílů

Tento společný vývoj špičkové techniky a medicíny můžeme rozdělit na pět hlavních procesů: algoritmickou diagnostiku a prevenci onemocnění, automatizaci zdravotnických služeb, miniaturizaci a mobilizaci laboratoří, individualizaci medicíny a masovou individuální produkci lidských náhradních dílů. Všem těmto procesům je společné to, že jsou možné jen díky pokroku v oblasti algoritmického zpracování dat a signálů a jsou závislé na stabilním, rychlém a všudypřítomném připojení k internetu - a také masivním pokroku v počítačově podporovaném lékařském výzkumu. Přesto by všechny tyto nejen lékařské milníky nebyly ničím bez nového digitalizovaného lidského obrazu: člověk jako komplexní, v zásadě kontrolovatelný systém.

Důsledky tohoto nejnovějšího vývoje, jak je popisuje lékařský futurista a autor Bertalan Meskó, jsou velmi praktické: diagnostické nástroje budou přesnější - a pacienti je budou využívat stále častěji sami namísto lékařů. Ošetření se může přesněji přizpůsobit potřebám konkrétního pacienta, někdy i na úrovni DNA. Nakonec se bude mnoho velkých, ale také především těch velmi malých zásahů plánovat přímo počítači a provádět roboty. Náhradní díly pro to se budou vyrábět v laboratoři, stejně jako personalizované léky. Celkově se změní tradiční vztah mezi pacientem, lékařem, laboratoří a strojem: medicína bude více individuální, přesnější a komplexnější. To se projeví až na společenské úrovni, kde se kvanta shromážděných údajů o zdravotním stavu bezpočtu jednotlivců promění na jakýsi model lékařské zdravotní předpovědi celých populací, ne nepodobné současným meteorologickým předpovědím.

1. trend: Algoritmy lépe hojí

Lidské tělo je příliš složité, než aby se dalo chápat jako celek. Je mnohem jednodušší zjistit chyby v systému, například za pomoci algoritmů pro rozpoznávání vzorů. Vypadává srdce z obvyklého rytmu, rostou kožní buňky chaoticky nebo se jindy změní stabilní řečový vzor? To vše by mohla být známka blížícího se problému. Strojové učení se v lékařství také využívá jako prostředek k rozpoznávání odchylek od normality.

Slibné to je hlavně v mobilní péči o pacienta samotného. Proto je v současné době vyvíjeno několik mobilních aplikací pro smartphony, které za pomoci algoritmů pro rozpoznávání obrazů dokážou identifikovat například problematické jaterní skvrny na kůži - a to již přesněji, než to doposud zvládl člověk. Není k tomu potřeba ani nějak zvlášť dobrý fotoaparát nebo skvělý smartphone.

Tato metoda je univerzální, ať už se jedná o obrazová data, srdeční ozvy, řečové vzory nebo abstraktní datový tok. Prostřednictvím sběru dat se algoritmus učí odlišovat požadované vzory od nežádoucích a ty pak nachází s udivující přesností i v nových datech. Protože to funguje tak dobře, je tento přístup v současné době testován také pro včasné odhalování Parkinsonovy nemoci a schizofrenie, které je založeno na krátkých zvukových nahrávkách. Ale může být stejně dobře použit k analýze starých dat s cílem hledat dříve neznámé zákonitosti, ať už se jedná o nepoznané příznaky nemocí, skryté interakce, nebo dokonce pojišťovací podvody.

Proti algoritmům se však zvedá i vlna nevole. Vzhledem k tomu, že dokážou spojit i to, co žádný člověk nemůže předvídat, nejsou vždy pochopeny (viz rámeček vpravo dole).

2. trend: Chirurgoboti & nanomedicína

Počítače pomáhají už po dlouhou dobu při plánování operací a programovatelní roboti, jako například chirurgický systém da Vinci, asistují bez třesoucích se rukou lidským chirurgům. Jejich výkon roste spolu s přesností modelu jejich pacienta. Díky novým metodám rozpoznávání obrazu, které jsou nyní tak jemné a aktuální, mohou roboti operovat částečně nebo zcela autonomně. Takže například Smart Tissue

Autonomous Robot (STAR) zvládá pod dohledem šít s milimetrovou přesností měkké tkáně. Potřebné vstupy obdrží z fluorescenčního 3D obrazu a snímače tlaku.

V horizontu vzdálenější budoucnosti se objeví lékařští nanoboti: aktivní stroje o velikosti lidské buňky, které samostatně provádějí údržbářské práce v těle, pomáhají například při stavbě kostí nebo značkují nádorové buňky pro imunitní systém. Nanomedicína přitom využívá mechanismy organismu: nanoboti plavou v tělních tekutinách na místo určení, fungují jako ministopaři endogenních buněk nebo poslouží jako tkáň potřebným orgánům.

3. trend: Místo čekárny obývák

Základem pro medicínu budoucnosti je nové datové bohatství, ke kterému přispívají také samotní pacienti prostřednictvím nových diagnostických nástrojů a svou ochotou provádět vlastní měření. Poté vám smartphone sám najednou oznámí: Jdi raději k lékaři, tvé srdce provádí divné věci! Ve skutečnosti se již mění tradiční místa lékařství: diagnóza se provádí jakoby mimochodem bez pacienta nebo aniž by si něčeho všiml, ve stínech datových center. K dispozici je také celá spousta biosenzorů a minilaboratoří, které mohou provádět složité vyšetřování bez odborných rozborů svých uživatelů. Takže například lidé trpící maniodepresivní poruchou si budou za použití chemických senzorů měřit obsah lithia v krvi a muži s problémy s plodností zase kvalitu spermií.

Spolknutím nanovláken by tyto miniaturizované laboratoře mohly ale také zkoumat celé tlusté střevo na výskyt biomarkerů typických pro rakovinu - a na mobilním telefonu ukázat oznámení o nálezu (a vytvořit zároveň i schůzku s vhodným proktologem). Díky prosíťování to ale zároveň také znamená, že zdravotnický personál může ovládat čím dál více procesů na dálku, až na úroveň chirurgobotů. Toto bohatství dat také přesune fokus z léčby na prevenci. Zároveň ale s sebou přináší úplně nové požadavky na ochranu osobních údajů se všemi riziky pro soukromou sféru.

4. trend: Náhradní biodíly z 3D tiskárny

Plastové protézy z 3D tiskárny jsou jen začátek: nejen že budou tiskové předlohy komplexnější a více bionické (výzkumný tým například teď napodobuje končetiny koz), také materiály budou pokročilejší: novodobé protézy šetří energii, poskytují nervovému systému zpětnou vazbu ohledně síly, a mohou být dokonce ovládány svalovými impulzy.

Ale 3D tisk rovněž vylepšuje tvorbu biomateriálů. Několik výzkumných týmů prezentovalo metody na výrobu plně kompatibilní lidské kůže. Některé tisknou kůži přímo na ránu, která byla předtím přesně změřena pomocí laseru. Další pak jedním postupem vrství trojrozměrné kožní struktury, které pak mohou být použity libovolně (viz úvodní obrázek na straně 60 a obrázek vpravo). Výhoda doplňkového tisku: Pomocí těchto metod mohou být konstruovány složitější 3D struktury z různých materiálů, například i celé orgány.

5. trend: Individuální léčba

Tyto čtyři vývojové linie se spojují v jeden hlavní trend personalizované medicíny: místo jedné diagnózy a jedné terapie, které by měly pomoci co největšímu počtu lidí, se vyvíjí individuální způsob léčení a vyrábí se léky pro daného pacienta. Při léčbě rakoviny plic se již provádí například tzv. tabletová terapie: pomocí genového šetření se zjistí, zda je v nádoru přítomna konkrétní mutace buňky, a ta je pak napadána speciálními léky s méně závažnými vedlejšími účinky.

Personalizovaná medicína je stále ještě v plenkách - v EU se v současné době nabízí pouze 50 individualizovaných léků. Na obzoru už ale čeká genetika. Ta díky moderním metodám pomůže rozkrýt genetický materiál pacientů a jejich patogenů - přitom se jedná o cenově výhodný způsob s potenciálem masového využití.
Aktuální hype: Farmaceutický průmysl horečnatě hledá nové biomarkery - tj. molekulární datové stopy, především takové, pomocí kterých mohou být zjištěny nemoci, které nemají žádné příznaky.

Budoucnost pro všechny

Moderní medicína byla vždy také příběhem o technickém úspěchu. Jestliže se nyní stále více stírá hranice mezi biologií a technologií, mohlo by to také znamenat nový standard pro lidi: budou lidské fyzické vady vůbec vnímány jako nemoc? Mohou stroje onemocnět - třeba se nakazit viry?

Přitom by se nemělo zapomínat, že největší objevy v medicíně nikdy nebyly ty, které vyvolávaly senzaci. Umění léčby se nejvíce rozvinulo tehdy, když mělo největší užitek pro lidstvo. Takže když bylo také levnější, jednodušší, dostupnější a univerzálnější. A možná že to je také jednou z největších výzev pro budoucnost medicíny: umožnit léčení a uzdravování všem - a nejen pár vyvoleným pomocí obrovských nákladů a neslýchaných metod.

Tato medicína budoucnosti by měla být měřena podle svého účinku - ne podle jejího vnějšího působení. Protože úkolem medicíny je koneckonců zmírňování utrpení, a ne oslavování velkolepého pokroku.

Problém jménem blackbox

Strojové učení je považováno za velkou lékařskou naději. Známé vzory se tak mohou s vysokou jistotou detekovat v datových sadách, třeba neobvyklý růst tkání, změny v mluvení nebo nepříznivé vlastnosti. Ale metoda je to riskantní! Rozpoznávání je na rozdíl od tradičních postupů vztaženo na konkrétního člověka. Statisticky správné, ale zcela nesmyslné korelace vznikají kvůli zkreslení tréninkových dat algoritmů nebo velkou datovou rozmanitostí. Takže se dojde k fatálně chybné diagnóze, jejíž příčiny zůstávají neobjasnitelné. Proto datoví vědci jako Rich Caruana varují před příliš slepou důvěrou v algoritmické černé skříňky. Podle Caruany by se měly volit místo toho raději tradičních postupy - a to i v případě, že jsou méně přesné -a černé skříňky přenechat pro nezávislou kontrolu firem před monopolizací vědy. Zdraví se nesmí stát tajemstvím.

Foto popis| Pomocí bioinkoustu vrství tato 3D tiskárna plně funkční trojrozměrnou kůži.
Foto popis| Robodoktor: Chirurgický tým pracuje s pacientem na dálku 1 . Zákrok je díky systému da Vinci Surgical 2 extrémně přesný.
Foto popis| AI rozezná rakovinu kůže Prohlídka na rakovinu kůže s telefonem díky inteligentnímu rozpoznávání obrazu, který objeví nesrovnalosti ve snímku tkáně jaterní skvrny pořízeném pacientem - zda se jedná o skutečný nádor, to je třeba prozkoumat v laboratoři.
Foto popis| Sledovač ovulačních cyklů ve tvaru náramku umí sbírat data nutná k přesné předpovědi plodných dnů ženy.
Foto popis| Origami robot z MIT se složí v žaludku nebo střevě a lze ho řídit a pohybovat s ním za pomoci externího magnetického pole.
Foto popis| Roboti pečovatelé pomáhají v péči o staré a dlouhodobě nemocné - jejich humanoidní podoba překonává nedůvěru pacientů.
Foto popis| Propojení Astronauti na palubě ISS sbírají ustavičně svá vlastní zdravotní data - a nacvičují elektronicky asistované intervence pro pomoc při mimořádných událostech ve vesmíru.
Foto popis| Z 3D tiskárny mohou pocházet nejen náhradní díly pro člověka, ale také jeho upgrady: tužší, pružné - lepší?
Foto autor| dpa/Picture Alliance/AP Photos/Eric Risberg; Northwestern Fotografie: Universidad Carlos III de Madrid; Thomas Splettstoesser/ University; NASA; Fraunhofer IPA; Melanie Gonick/MIT wwwscistylecom/ Wikipedia/CC BY-SA 4.0;

Foto popis| Na míru Plně kompatibilní biopokožka z 3D tiskárny 1 nebo pomocí systému CRISPR/Cas vyrobené buňky na míru 2 : Éra personalizované medicíny začala.
Foto popis| Pro masy Fast food řetězce tajně používají vyspělé technologie, aby své pokrmy připravovaly zdravěji. To by mohlo pomoci lidem, kteří nedbají o zdravou výživu, se lépe stravovat.

O autorovi| FELIX KNOKE, autor@chip.cz