AI chráni človeka. Vyhľadáva jedy a pomáha pri vývoji liekov
Namiesto 18 rokov, len 18 mesiacov výskumu. Skúsenosti s využitím umelej inteligencie pri vývoji nových liekov sú prelomové. Zbierajú ich aj naši vedci zo Slovenskej akadémie vied, ktorým pomáhajú študenti informatiky. Spojenie medicíny a IT má potenciál zachraňovať životy.
Marta Šoltésová Prnová pracuje na Ústave experimentálnej farmakológie a toxikológie Slovenskej akadémie vied. Zameriava sa na vývoj nových liekov proti neskorým komplikáciám pri cukrovke, rovnako na výskum nebezpečných látok.
Čo má spoločné medicína, farmácia, chémia, biológia a IT? Čoraz viac. Bez informatiky to v modernom výskume už nejde. Až nástup umelej inteligencie (AI) však prináša do zdravotníctva a vývoja nových liekov skutočnú revolúciu.
Každý liek tvoria látky účinné proti tej-ktorej chorobe. Nájsť ich však nie je ľahké. Treba isť až na úroveň molekúl, z ktorých sú látky zložené. Kedysi to znamenalo zdĺhavú prácu v laboratóriu, roky nad mikroskopom, výpočtami, zostavou skúmaviek a ďalšími prístrojmi.
Nekonečné, ale precízne, a teda aj únavné pokusy, overovanie, dokazovanie. Vysoké nároky na čas, ľudí a financie. Následné testovanie na zvieratách, v poslednej fáze skúšok na ľuďoch-dobrovoľníkoch. AI však ponúka skratku, mnohé z doterajších postupov sa neuveriteľne zrýchlia alebo úplne odpadajú.
Ako vznikajú moderné lieky
Pri vývoji nových liekov treba hľadať účinné "liečivé“ molekuly a kombinovať ich tak, aby výsledný liek bol čo najlepší a mal minimum vedľajších účinkov. Keďže medzi vlastnosťami a štruktúrou molekúl jestvuje súvislosť, ba až matematická závislosť, poznať štruktúru znamená vedieť predpovedať vlastnosť molekuly.
AI má potrebnú kapacitu i nadhľad a vidí vzťahy tam, kde ich my už pre množstvo dát nevidíme.
Marta Šoltésová Prnová
"A tomuto vzťahu vie AI porozumieť. Dokáže ho hľadať v obrovských databázach, teda zoznamoch miliónov a miliónov látok. Množstvo vedomostí z biológie, chémie, farmakológie a podobne je už také enormné, že mozog človeka nie je schopný všetko obsiahnuť. Inými slovami, AI má potrebnú kapacitu i nadhľad a vidí vzťahy tam, kde ich my už pre množstvo dát nevidíme,“ hovorí biochemička Marta Šoltésová Prnová z Ústavu experimentálnej farmakológie a toxikológie Slovenskej akadémie vied.
Dodáva, že AI im tak pomáha identifikovať perspektívne štruktúry, ktoré znamenajú najvhodnejšie vlastnosti, a teda vedú k najlepšej účinnosti lieku. "AI je pritom nesmierne rýchla a komplexná, navyše pracuje 24 hodín denne, sedem dní v týždni, neunaví sa, takže šetríme more času i peňazí a zvládneme urobiť oveľa viac roboty bez toho, aby sme museli rapídne zvyšovať počty ľudí vo výskumných tímoch,“ približuje vedkyňa.
Jej cieľom je nájsť liek, ktorý by pomáhal ľuďom s cukrovku pri neskorých komplikáciách, ktoré toto ochorene prináša. M. Prnová je spoluobjaviteľka látky cemtirestat, ktorá sa ukazuje ako vhodná práve pre výrobu liečiv na prevenciu proti sekundárnym komplikáciám cukrovky. Je tiež spoluautorkou troch patentov a množstva vedeckých článkov.
Agilná vedkyňa však chcela využiť všetky možnosti, ktoré ponúkajú najmodernejšie technológie, a tak sa spojila s Fakultou informatiky a informačných technológií Slovenskej technickej univerzity v Bratislave (FIIT STU) – práve preto, aby spoločne našli k lieku skratku, ktorú dnes ponúka informatika.
"Zapojenie AI a prepájanie rozdielnych odborov prináša synergické efekty a obrovskú konkurenčnú výhodu,“ tvrdí M. Prnová. "Je to budúcnosť. Čudovali by ste sa, aké kuriózne, a zároveň obohacujúce situácie to prináša. Viackrát sa mi stalo, že študent IT vďaka umelej inteligencii videl súvislosť tam, kde ju nevidia špičkoví chemici či biológovia s medzinárodnou reputáciou, a táto závislosť sa časom potvrdila! Vďaka prepojeniu SAV a FIIT napredujeme násobne rýchlejšie.“
Študenti zapojení do atraktívnej praxe
"Informatika, už dávno nie je len o programovaní a počítačoch. U nás sa sústreďujeme na aplikovanú informatiku, teda jej využitie v praxi. Mnohých to prekvapí, ale náš výskum a vývoj má oveľa širší záber, je zameraný napríklad aj na zdravotníctvo, bezpečné finančné toky a platby, energetiku, virtuálnu realitu, autonómne autá či generovanie obsahu pre médiá, teda dôveryhodného textu, audia a dokonca videa, pomocou AI,“ objasňuje dekan FIIT Ivan Kotuliak.
Spolupráca SAV a FIIT je výhodná pre všetkých. Spolu so študentmi FIITky vznikol voľne dostupný webový AI nástroj QSAR, ktorý pomáha predpovedať účinnosť látok. Úspešne ho vyžívajú v dvoch oblastiach. Farmakológii a toxikológii. Prvá zahŕňa hľadanie nových liekov a predpovedanie ich bezpečnosti, tá druhá včasnú identifikáciu potenciálne nebezpečných látok.
"Skúmame látky obsiahnuté v materiáloch, ktoré by mohli byť škodlivé napr. pri styku s pokožkou a okom. Náš ústav je dokonca certifikovaným pracoviskom v režime Správnej laboratórnej praxe v oblasti toxikológie. Robíme expertízne toxikologické testy podľa najprísnejších smerníc EÚ, OECD a normy ISO,“ dodáva M. Prnová.
O čo konkrétne ide? Napríklad krémy a šampóny, teda kozmetika, alebo zdravotnícke pomôcky, čistiace prostriedky či iné chemické látky – to všetko je vystavené svetlu. Aby sa zo spomenutých výrobkov neuvoľňovali jedy nebezpečné pre ľudí, potrebujeme vedieť overiť ich vlastnosti a predpovedať možné zmeny vo vlastnostiach v budúcnosti. Spolupráca je praktická, užitočná a získala dokonca už aj niekoľko domácich a zahraničných ocenení.
Zapojenie do takéhoto projektu oceňujú aj študenti. "Netušila som, aké široké uplatnenie môže mať štúdium IT,“ hovorí tretiačka Táňa Gregušová a dodáva, že najviac sa jej páči fakt, že z chemickej štruktúry dokáže človek s pomocou strojového učenia odhadnúť účinok látky. Je to technológia, ktorá môže zrýchliť výskum a zároveň znížiť počty „zbytočných“ experimentov.
Droga zamilovaných je tiež droga
Štruktúra molekúl je teda dôležitá. Závisia od nej vlastnosti molekúl. Stačí totiž malá zmena v štruktúre a vznikne látka s rozdielnou účinnosťou. Pri vývoji liekov je to rozhodujúce. "Znie to azda zložito, ale je to jednoduché. Študentom to vysvetľujem na príklade troch látok a pochopia to okamžite,“ usmieva sa M. Prnová.
"Metamfetamín je známa nebezpečná droga pervitín, všetci o nej počuli, uškrnú sa, pomrvia v lavici, ale hlavne spozornejú. Len o máličko inú štruktúru má amfetamín. Jeho účinnosť je celkom iná a používa sa už ako úspešný liek, napríklad na ADHD. A ešte o niečo inú štruktúru má fenyletylamín.“
Kým o prvých dvoch látkach väčšina ľudí počula, o tretej nie. Každý s ňou má však osobnú skúsenosť, dokonca pozitívnu. Fenyletylamín sa prezýva droga zamilovaných. Nachádza sa prirodzene v našom tele a uvoľňuje v ňom dopamín a serotonín, keď sa nám niekto zapáči. Fenyletylamín v tele najviac pôsobí v počiatočnej fáze zaľúbenia. Očarenie v ňom vyvoláva pocity radosti, šťastia a eufórie.
Účinok fenyletylamínu je podobný ako metamfetamínu, a predsa je úplne odlišný. Obe látky vyvolávajú spočiatku pekné pocity, ale tá prvá človeku škodí a zabije ho. Je to dobrý príklad, prečo je výskum drobných zmien v štruktúre molekúl zásadný. Mimochodom, málokto vie, že fenyletylamín sa nachádza aj v čokoláde. Dostal sa aj do slovenskej populárnej hudby. Katarína Knechtová si v skladbe FEA dokonca pospevuje jeho vzorec C8H11N.
Prečo je cukrovka zákerná
A čo to má spoločné s vývojom liekov pre diabetikov? Práve to, že detaily a zmeny v štruktúru molekúl sú kľúčom k nájdeniu moderných liečiv. Marta Šoltésová Prnová sa primárne venuje výskumu neskorých diabetických komplikácií. "Málo sa o nich hovorí, žiaľ sú veľmi vážne. Ľudia trpiaci cukrovkou sa s nimi skôr či neskôr stretnú, najmä ak sa neliečia správne. Ja sa snažím nájsť liek, ktorý by rozvoj takýchto komplikácií zastavil,“ objasňuje.
O čo ide? O cukrovke sa hovorí, že je tichý zabijak. V tom je jej zákernosť. Prichádza pomaly a potichu, nenápadne. A neskoré komplikácie, ktoré diabetes prináša, sú ešte zradnejšie. "Nespôsobujú len diskomfort chorých, môžu viesť aj k ich skoršiemu úmrtiu,“ upozorňuje vedkyňa. Dodáva, že najčastejšie ide o sivý zákal, poškodené očné pozadie a postupne prichádzajúcu slepotu či ochorenie obličiek, ktoré vedie k ustavičným dialýzam.
"Sú to azda tie najznámejšie z neskorých komplikácií, ale je ich oveľa viac. Patrí medzi ne aj neuropatia, teda poškodenie periférnych nervov mimo mozgu a miechy, čo spôsobuje poruchy prenosu signálov. Môže zasiahnuť vnútorné orgány, ale aj končatiny. Ľudia vtedy cítia v rukách a nohách mravčenie, brnenie či ostrú a páliacu bolesť.“
Neuropatia vedie k svalovej slabosti, strate citlivosti a istoty spoľahlivo stáť na nohách či chodiť. Niekedy takýto človek vyzerá, že sa tacká, akoby mal vypité, čo okolie takmer vždy vyhodnotí nesprávne. Nedorozumenie s kolegami v práci, susedmi či rodinou, je však najmenší problém pacienta s cukrovkou.
Pozor, diabetes pribúda u detí
Diabetici sú oveľa náchylnejší aj na poruchy spánku či metabolizmu, vnímania chutí a dokonca aj na defekty centrálneho nervového systému. Znamená to, že je podstatne vyššia pravdepodobnosť, že u nich prepukne hoci Alzheimerova choroba, známe progresívne neurodegeneratívne ochorenie a najčastejšia príčina demencie. Postihuje najmä myslenie a pamäť. Prejavuje sa zabúdaním, dezorientáciou, zmenami osobnosti a zhoršeným vykonávaním bežných, rutinných úloh.
"Signálom je napríklad, keď babička roky každú nedeľu piekla pre deti a vnúčatá koláče a zrazu to nedokáže,“ dopĺňa Prnová a opakuje, že včasná diagnostika a správna liečba môžu priebeh ochorení vždy spomaliť. "Najčastejšou príčinou neskorých diabetických komplikácií býva zle liečená cukrovka. V súčasnosti, napriek rokom výskumu, stále nemáme lieky na neskoré komplikácie, aj preto sa lieky vyvíjané pomocou AI, ukazujú ako veľmi perspektívne.“
Na Slovensku sa v súčasnosti lieči na cukrovku takmer 350-tisíc ľudí, čo je zhruba sedem percent populácie. Vysoký počet chorých však u nás dlhodobo rastie, pričom výrazne stúpa aj množstvo chorých detí. Prečo sa to deje? Stručne: spohodlneli sme, menej sa hýbeme, málo športujeme, prejedáme sa, najmä mastným a sladkým… Jednoducho, nežijeme zdravo. Pritom výrazne pomáha už len polhodinová prechádzka vo svižnom tempe každý deň, občas nepoužiť výťah alebo ísť do obchodu, práce či školy po svojich – pešo.
Vyššie riziko cukrovky majú aj ľudia s vyšším tlakom a niekedy sa jej, žiaľ, nedá zabrániť vôbec, pretože ju zdedíte po predkoch. Nové moderné lieky vyvíjané pomocou AI, ktoré sa dostanú do nemocníc a lekární oveľa rýchlejšie od objavenia ako to bolo doteraz, sú však nádejou pre tisícky pacientov u nás a milióny vo svete. Navyše by mali byť za výrazne nižšiu cenu ako tie doterajšie, pretože ich vývoj je niekoľko násobne lacnejší.
"Rizikom je len nepodľahnúť ilúzii, že AI bude všetko robiť za nás. Pokušenie je nesmierne, no zodpovednosť za moderné lieky a rozhodovanie o ich použití je prísne regulované kompetentnými inštitúciami, ktoré ich kontrolujú a vymedzujú pravidlá. Inak povedané, posledné slovo by nemala mať AI, ale stále konkrétni ľudia s adekvátnym vzdelaním a skúsenosťami,“ zdôrazňuje M. Prnová.
Pri ich hľadaní sú už dnes aj slovenskí vedci zo SAV a študenti z FIIT STU.
Seriál Digitálna budúcnosť vzniká ako špeciálny projekt v spolupráci s FIIT STU.
prof. Ing. Ivan Kotuliak, PhD.
Garantom projektu – Seriál Digitálna budúcnosť – je prof. Ing. Ivan Kotuliak, PhD., ktorý je dekanom FIIT STU a zároveň pôsobí ako odborný zástupca SR pre European Blockchain Partnership pri EK, ako aj Slovenský zástupca Information for All programu Slovenskej Komisie UNESCO.
Súvisiace články
Technológie | pred 7 mesiacmi | 1
Rekonštrukcia zastávky MHD v centre Košíc prinesie obmedzenia cestujúcim aj vodičom. Ľudia šomrú, vraj potrvá pridlho.
Pozrite sa sem. Svyrydenková uviedla, že vláda si kladie za cieľ získať takmer desať miliárd hrivien z rozsiahlych privatizácií.