Nadziewanie żołnierzy chipami elektronicznymi: pomysł DARPA
Amerykańska Agencja Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) znana jest z prowadzenia badań naukowych na wysokim poziomie w dziedzinie zaawansowanych technologii wojskowych. Jednak Dyrekcja w coraz większym stopniu koncentruje swoją uwagę na najważniejszym, choć czasem niedocenianym obszarze - wsparciu medycznym personelu.
Prace DARPA w dziedzinie medycyny wojskowej prowadzone są w większości przy udziale najnowszego komponentu w jej ogólnej strukturze - Biura Technologii Biologicznych (WTO). Jak zauważył dyrektor Brad Ringeisen: „Nasze biuro zajmuje się szerokim zakresem zadań, które można podzielić na trzy szerokie kategorie”. Po pierwsze, jest to neuronauka, na przykład wykorzystanie sygnałów mózgowych do operacji protez kończyn. Drugi kierunek to inżynieria genetyczna lub biologia syntetyczna. Trzeci obszar badań koncentruje się na technologiach, które również mogą wyprzedzić choroby zakaźne i jest priorytetowym obszarem badawczym dla DARPA.
Według pułkownika Matta Hepburna, szefa kilku programów w WTO, istnieje wiele powodów, które wysuwają walkę z chorobami zakaźnymi na pierwszy plan. Na przykład wojsko USA lub jego sojusznicy mogą zostać rozmieszczone, aby pomóc regionowi lub krajowi dotkniętemu konkretną pandemią, taką jak Ebola. „Jesteśmy globalnie rozmieszczoną siłą wojskową i zamierzamy wysłać naszych ludzi na obszary, które musimy chronić przed chorobami”.
System mikrofizjologiczny opracowany przez Instytut Inżynierii Biologicznej Wyssa
Rozwój technologii i metod leczenia, które zapobiegają wybuchom epidemii zakaźnych, może również poprawić bezpieczeństwo narodowe. Na przykład terapie opracowane dla personelu wojskowego mogą być stosowane do zapobiegania lub leczenia poważnych pandemii wśród ludności cywilnej. Jednak wszystko to dotyczy również niższych poziomów, aż do pojedynczej osoby.
„Prostym, ale jednocześnie niezwykle odkrywczym przykładem jest grypa na statku” – wyjaśnił Hepburn. „Zainfekowany personel jest mniej wydajny, co może wpłynąć na wykonanie całego zadania”. Jako inny przykład Hepburn przytoczył ryzyko, że członek grupy zachoruje na malarię lub gorączkę denga, „co jest dość powszechne w miejscach, w których pracujemy. To oczywiście może zrujnować całą misję, jeśli nie pomyślisz o ewakuacji medycznej i środkach ostrożności dla tej osoby.
Jak zauważył Hepburn, istnieją dwie szerokie kategorie, jeśli chodzi o radzenie sobie z chorobami zakaźnymi. Po pierwsze jest to diagnostyka: aby dowiedzieć się, czy dana osoba jest chora, czy nie. Po drugie, co zrobić, gdy ktoś zachoruje, czyli opracowanie kuracji lub środków zaradczych, takich jak szczepionka.
Jednak głównym celem DARPA jest nadal przewidywanie, czy zdrowo wyglądająca osoba zachoruje. Ponadto FDA chce wiedzieć nie tylko prawdopodobieństwo zachorowania pacjenta, ale także to, czy jest zaraźliwy, czy nie. „Czy stanie się nosicielem infekcji? Czy będziemy w stanie powstrzymać epidemię w określonej społeczności?”
Hepburn mówił także o programie Prometheus. Według DARPA jego celem jest poszukiwanie „zestawu sygnałów biologicznych u nowo zarażonej osoby, które mogą wskazać w ciągu 24 godzin, czy ta osoba stanie się zaraźliwa”, umożliwiając wczesne leczenie i podjęcie działań zapobiegających przeniesieniu choroby na inne osoby.
Program Prometheus koncentruje się obecnie na ostrych chorobach układu oddechowego, które zostały wybrane do weryfikacji koncepcji, chociaż technologia może mieć zastosowanie również w przypadku innych chorób zakaźnych.
„Powiedzmy, że mamy zarażonych 10 osób, moglibyśmy je przetestować i powiedzieć, że te trzy osoby będą najbardziej zaraźliwe i staną się nosicielami choroby. Następnie będziemy leczyć tych ludzi, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się infekcji” – wyjaśnił Hepburn.
Projekt Prometheus ma na celu stworzenie „biomarkerów”, które pokazują podatność danej osoby na chorobę i jej potencjalny poziom zarażenia. „Te znaczniki są trudne do stworzenia” – powiedział Hepburn. - Kolejnym wyzwaniem jest odczytanie tych znaczników w terenie iw punkcie opieki. Może być konieczne opracowanie urządzenia zasilanego bateryjnie, które wykona to zadanie”.
„Myślę, że ich militarne zastosowanie jest dość oczywiste” – kontynuował Hepburn. - Wyobraź sobie koszary, statek lub łódź podwodną. Umiejętność zidentyfikowania, kto zaraz zachoruje i powstrzymania epidemii w tych ciasnych warunkach, byłaby niezwykle pomocna dla naszego wojska.
W obszarze profilaktyki DARPA wykonuje wiele pracy, aby zapobiegać chorobom. Główny nacisk kładziony jest na opracowanie tak zwanych „prawie natychmiastowych” rozwiązań, aby powstrzymać epidemię zakaźną, które będą działać znacznie szybciej niż tradycyjna szczepionka.
„Jeśli dam ci szczepionkę, może to zająć dwie lub trzy dawki w ciągu sześciu miesięcy, zanim osiągniesz wymagany poziom odporności” – powiedział Hepburn.
W związku z tym DARPA rozpoczęła prace nad nowym programem o nazwie P3 (Pandemic Prevention Platform – platforma zapobiegania pandemii), którego celem jest opracowanie „prawie natychmiastowego” rozwiązania, które może stanowić uzupełnienie szczepionek. Szczepionka działa poprzez spowodowanie, że organizm wytwarza przeciwciała, a jeśli wystarczająca ich ilość krąży we krwi, osoba jest chroniona przed konkretną chorobą zakaźną. DARPA zamierza radykalnie przyspieszyć ten proces poprzez wdrożenie programu PXNUMX.
„A co, gdybyśmy mogli po prostu podać przeciwciała, które zwalczą infekcje lub cię ochronią? W rzeczywistości, gdyby człowiekowi można było po prostu wstrzyknąć odpowiednie przeciwciała, natychmiast otrzymałby ochronę, zauważył Hepburn. „Problem polega na tym, że uzyskanie wystarczającej ilości tych przeciwciał w fabryce zajmuje miesiące i lata. To złożony i kosztowny proces”.
Zamiast tradycyjnego procesu wytwarzania przeciwciał i wstrzykiwania ich do żyły, DARPA pracuje nad preparatem do wstrzykiwania, który zawiera DNA i RNA przeciwciał, aby organizm mógł wytwarzać przeciwciała, których potrzebuje. Kiedy kod genetyczny zostanie wstrzyknięty do organizmu, „w ciągu 72 godzin będziesz już miał wystarczająco dużo przeciwciał, aby cię chronić”. Hepburn uważa, że można to osiągnąć w ciągu czterech lat, do końca programu P3.
Ringeisen prowadzi inny program profilaktyczny, Systemy mikrofizjologiczne lub Organy na chipie, który będzie tworzyć sztuczne modele różnych układów ludzkiego ciała na mikroukładach lub chipach do drukarek atramentowych. Mogą być wykorzystywane na wiele sposobów, np. testowanie szczepionek lub wprowadzanie patogenu biologicznego. Cel jest ambitny – naśladowanie procesów zachodzących w ludzkim ciele w laboratorium.
Ilustracja koncepcji „Body on a Chip” MIT
„Znaczenie tego jest ogromne” – dodał Ringeisen. „Możesz przetestować dosłownie tysiące kandydatów na leki pod kątem ich skuteczności i toksyczności bez obecnych czasochłonnych i kosztownych procesów, przez które musisz przejść”.
Obecny model rozwoju obejmuje kilka bardzo kosztownych procesów, w tym testy na zwierzętach i badania kliniczne. Badania na zwierzętach są bardzo drogie i nie zawsze dokładnie odzwierciedlają wpływ leku lub szczepionki na organizm ludzki. Jeśli chodzi o badania kliniczne, są one jeszcze droższe, a zdecydowana większość testów kończy się niepowodzeniem.
„Jeszcze ciężej jest pracować dla Departamentu Obrony, ponieważ wiele potrzebnych mu środków ochrony medycznej jest zaprojektowanych tak, aby radzić sobie z czynnikami biologicznymi i chemicznymi” – dodał. „Nie możesz wziąć grupy ludzi i przetestować ich pod kątem wąglika lub eboli”.
Technologia Organs on a Chip rewolucjonizuje opracowywanie leków dla społeczności wojskowej i cywilnej. Projekt, prowadzony przez zespoły z Harvard University i Massachusetts Institute of Technology, zbliża się do końcowej fazy.
Chip dla Instytutu Rozwoju Płuc Wyss
Ringeisen zwrócił również uwagę na program Elect-Rx (Recepty Elektryczne), którego celem było opracowanie technologii, które mogłyby sztucznie stymulować obwodowy układ nerwowy, wykorzystując jego zdolność do szybkiego i skutecznego leczenia.
„Poprawi to układ odpornościowy, zapewni organizmowi większą odporność na infekcje lub choroby zapalne” – wyjaśnił Ringeisen.
Hepburn uważa, że w przyszłości medycyna wojskowa będzie w stanie „znacznie lepiej przewidzieć chorobę na najwcześniejszym etapie, a wtedy pozostaje tylko podjąć odpowiednie działania w wyspecjalizowanej placówce”.
„To jak konserwacja zapobiegawcza twojego samochodu. Znajdujący się w nim czujnik sygnalizuje np., że silnik może się zepsuć lub że trzeba uzupełnić olej. Chcemy zrobić to samo z ludzkim ciałem”.
W organizmie czujniki te można łączyć z innymi technologiami, aby automatycznie rozpocząć niezbędne działanie, takie jak monitorowanie poziomu glukozy u pacjenta z cukrzycą. „Jeszcze tego nie osiągnęliśmy, ale za 10 lat stanie się to codziennością”.
Medycyna wojskowa – szczególnie kładąca nacisk na leczenie i profilaktykę – może przynosić realne korzyści w wielu innych dziedzinach. Oczywiste jest, że priorytetem jest zapewnienie ochrony personelu przed infekcjami, ale zapobieganie takim epidemiom na szerszą skalę, np. walka z pandemią, ma również bezpośredni wpływ na poziom bezpieczeństwa. W konsekwencji medycyna wojskowa musi zaspokajać potrzeby nie tylko pojedynczego żołnierza, nie tylko Sił Zbrojnych, ale całego społeczeństwa.
Użyte materiały:
www.darpa.mil
www.wyss.harvard.edu
web.mit.edu
www.genengnews.com
www.wikipedia.org
pl.wikipedia.org
Prace DARPA w dziedzinie medycyny wojskowej prowadzone są w większości przy udziale najnowszego komponentu w jej ogólnej strukturze - Biura Technologii Biologicznych (WTO). Jak zauważył dyrektor Brad Ringeisen: „Nasze biuro zajmuje się szerokim zakresem zadań, które można podzielić na trzy szerokie kategorie”. Po pierwsze, jest to neuronauka, na przykład wykorzystanie sygnałów mózgowych do operacji protez kończyn. Drugi kierunek to inżynieria genetyczna lub biologia syntetyczna. Trzeci obszar badań koncentruje się na technologiach, które również mogą wyprzedzić choroby zakaźne i jest priorytetowym obszarem badawczym dla DARPA.
Według pułkownika Matta Hepburna, szefa kilku programów w WTO, istnieje wiele powodów, które wysuwają walkę z chorobami zakaźnymi na pierwszy plan. Na przykład wojsko USA lub jego sojusznicy mogą zostać rozmieszczone, aby pomóc regionowi lub krajowi dotkniętemu konkretną pandemią, taką jak Ebola. „Jesteśmy globalnie rozmieszczoną siłą wojskową i zamierzamy wysłać naszych ludzi na obszary, które musimy chronić przed chorobami”.
System mikrofizjologiczny opracowany przez Instytut Inżynierii Biologicznej Wyssa
Rozwój technologii i metod leczenia, które zapobiegają wybuchom epidemii zakaźnych, może również poprawić bezpieczeństwo narodowe. Na przykład terapie opracowane dla personelu wojskowego mogą być stosowane do zapobiegania lub leczenia poważnych pandemii wśród ludności cywilnej. Jednak wszystko to dotyczy również niższych poziomów, aż do pojedynczej osoby.
„Prostym, ale jednocześnie niezwykle odkrywczym przykładem jest grypa na statku” – wyjaśnił Hepburn. „Zainfekowany personel jest mniej wydajny, co może wpłynąć na wykonanie całego zadania”. Jako inny przykład Hepburn przytoczył ryzyko, że członek grupy zachoruje na malarię lub gorączkę denga, „co jest dość powszechne w miejscach, w których pracujemy. To oczywiście może zrujnować całą misję, jeśli nie pomyślisz o ewakuacji medycznej i środkach ostrożności dla tej osoby.
Jak zauważył Hepburn, istnieją dwie szerokie kategorie, jeśli chodzi o radzenie sobie z chorobami zakaźnymi. Po pierwsze jest to diagnostyka: aby dowiedzieć się, czy dana osoba jest chora, czy nie. Po drugie, co zrobić, gdy ktoś zachoruje, czyli opracowanie kuracji lub środków zaradczych, takich jak szczepionka.
Jednak głównym celem DARPA jest nadal przewidywanie, czy zdrowo wyglądająca osoba zachoruje. Ponadto FDA chce wiedzieć nie tylko prawdopodobieństwo zachorowania pacjenta, ale także to, czy jest zaraźliwy, czy nie. „Czy stanie się nosicielem infekcji? Czy będziemy w stanie powstrzymać epidemię w określonej społeczności?”
Hepburn mówił także o programie Prometheus. Według DARPA jego celem jest poszukiwanie „zestawu sygnałów biologicznych u nowo zarażonej osoby, które mogą wskazać w ciągu 24 godzin, czy ta osoba stanie się zaraźliwa”, umożliwiając wczesne leczenie i podjęcie działań zapobiegających przeniesieniu choroby na inne osoby.
Program Prometheus koncentruje się obecnie na ostrych chorobach układu oddechowego, które zostały wybrane do weryfikacji koncepcji, chociaż technologia może mieć zastosowanie również w przypadku innych chorób zakaźnych.
„Powiedzmy, że mamy zarażonych 10 osób, moglibyśmy je przetestować i powiedzieć, że te trzy osoby będą najbardziej zaraźliwe i staną się nosicielami choroby. Następnie będziemy leczyć tych ludzi, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się infekcji” – wyjaśnił Hepburn.
Projekt Prometheus ma na celu stworzenie „biomarkerów”, które pokazują podatność danej osoby na chorobę i jej potencjalny poziom zarażenia. „Te znaczniki są trudne do stworzenia” – powiedział Hepburn. - Kolejnym wyzwaniem jest odczytanie tych znaczników w terenie iw punkcie opieki. Może być konieczne opracowanie urządzenia zasilanego bateryjnie, które wykona to zadanie”.
„Myślę, że ich militarne zastosowanie jest dość oczywiste” – kontynuował Hepburn. - Wyobraź sobie koszary, statek lub łódź podwodną. Umiejętność zidentyfikowania, kto zaraz zachoruje i powstrzymania epidemii w tych ciasnych warunkach, byłaby niezwykle pomocna dla naszego wojska.
W obszarze profilaktyki DARPA wykonuje wiele pracy, aby zapobiegać chorobom. Główny nacisk kładziony jest na opracowanie tak zwanych „prawie natychmiastowych” rozwiązań, aby powstrzymać epidemię zakaźną, które będą działać znacznie szybciej niż tradycyjna szczepionka.
„Jeśli dam ci szczepionkę, może to zająć dwie lub trzy dawki w ciągu sześciu miesięcy, zanim osiągniesz wymagany poziom odporności” – powiedział Hepburn.
W związku z tym DARPA rozpoczęła prace nad nowym programem o nazwie P3 (Pandemic Prevention Platform – platforma zapobiegania pandemii), którego celem jest opracowanie „prawie natychmiastowego” rozwiązania, które może stanowić uzupełnienie szczepionek. Szczepionka działa poprzez spowodowanie, że organizm wytwarza przeciwciała, a jeśli wystarczająca ich ilość krąży we krwi, osoba jest chroniona przed konkretną chorobą zakaźną. DARPA zamierza radykalnie przyspieszyć ten proces poprzez wdrożenie programu PXNUMX.
„A co, gdybyśmy mogli po prostu podać przeciwciała, które zwalczą infekcje lub cię ochronią? W rzeczywistości, gdyby człowiekowi można było po prostu wstrzyknąć odpowiednie przeciwciała, natychmiast otrzymałby ochronę, zauważył Hepburn. „Problem polega na tym, że uzyskanie wystarczającej ilości tych przeciwciał w fabryce zajmuje miesiące i lata. To złożony i kosztowny proces”.
Zamiast tradycyjnego procesu wytwarzania przeciwciał i wstrzykiwania ich do żyły, DARPA pracuje nad preparatem do wstrzykiwania, który zawiera DNA i RNA przeciwciał, aby organizm mógł wytwarzać przeciwciała, których potrzebuje. Kiedy kod genetyczny zostanie wstrzyknięty do organizmu, „w ciągu 72 godzin będziesz już miał wystarczająco dużo przeciwciał, aby cię chronić”. Hepburn uważa, że można to osiągnąć w ciągu czterech lat, do końca programu P3.
Ringeisen prowadzi inny program profilaktyczny, Systemy mikrofizjologiczne lub Organy na chipie, który będzie tworzyć sztuczne modele różnych układów ludzkiego ciała na mikroukładach lub chipach do drukarek atramentowych. Mogą być wykorzystywane na wiele sposobów, np. testowanie szczepionek lub wprowadzanie patogenu biologicznego. Cel jest ambitny – naśladowanie procesów zachodzących w ludzkim ciele w laboratorium.
Ilustracja koncepcji „Body on a Chip” MIT
„Znaczenie tego jest ogromne” – dodał Ringeisen. „Możesz przetestować dosłownie tysiące kandydatów na leki pod kątem ich skuteczności i toksyczności bez obecnych czasochłonnych i kosztownych procesów, przez które musisz przejść”.
Obecny model rozwoju obejmuje kilka bardzo kosztownych procesów, w tym testy na zwierzętach i badania kliniczne. Badania na zwierzętach są bardzo drogie i nie zawsze dokładnie odzwierciedlają wpływ leku lub szczepionki na organizm ludzki. Jeśli chodzi o badania kliniczne, są one jeszcze droższe, a zdecydowana większość testów kończy się niepowodzeniem.
„Jeszcze ciężej jest pracować dla Departamentu Obrony, ponieważ wiele potrzebnych mu środków ochrony medycznej jest zaprojektowanych tak, aby radzić sobie z czynnikami biologicznymi i chemicznymi” – dodał. „Nie możesz wziąć grupy ludzi i przetestować ich pod kątem wąglika lub eboli”.
Technologia Organs on a Chip rewolucjonizuje opracowywanie leków dla społeczności wojskowej i cywilnej. Projekt, prowadzony przez zespoły z Harvard University i Massachusetts Institute of Technology, zbliża się do końcowej fazy.
Chip dla Instytutu Rozwoju Płuc Wyss
Ringeisen zwrócił również uwagę na program Elect-Rx (Recepty Elektryczne), którego celem było opracowanie technologii, które mogłyby sztucznie stymulować obwodowy układ nerwowy, wykorzystując jego zdolność do szybkiego i skutecznego leczenia.
„Poprawi to układ odpornościowy, zapewni organizmowi większą odporność na infekcje lub choroby zapalne” – wyjaśnił Ringeisen.
Hepburn uważa, że w przyszłości medycyna wojskowa będzie w stanie „znacznie lepiej przewidzieć chorobę na najwcześniejszym etapie, a wtedy pozostaje tylko podjąć odpowiednie działania w wyspecjalizowanej placówce”.
„To jak konserwacja zapobiegawcza twojego samochodu. Znajdujący się w nim czujnik sygnalizuje np., że silnik może się zepsuć lub że trzeba uzupełnić olej. Chcemy zrobić to samo z ludzkim ciałem”.
W organizmie czujniki te można łączyć z innymi technologiami, aby automatycznie rozpocząć niezbędne działanie, takie jak monitorowanie poziomu glukozy u pacjenta z cukrzycą. „Jeszcze tego nie osiągnęliśmy, ale za 10 lat stanie się to codziennością”.
Medycyna wojskowa – szczególnie kładąca nacisk na leczenie i profilaktykę – może przynosić realne korzyści w wielu innych dziedzinach. Oczywiste jest, że priorytetem jest zapewnienie ochrony personelu przed infekcjami, ale zapobieganie takim epidemiom na szerszą skalę, np. walka z pandemią, ma również bezpośredni wpływ na poziom bezpieczeństwa. W konsekwencji medycyna wojskowa musi zaspokajać potrzeby nie tylko pojedynczego żołnierza, nie tylko Sił Zbrojnych, ale całego społeczeństwa.
Użyte materiały:
www.darpa.mil
www.wyss.harvard.edu
web.mit.edu
www.genengnews.com
www.wikipedia.org
pl.wikipedia.org
informacja