Определить COVID-19 за 5 минут. Помогут ли супертехнологии победить пандемию

Мы выбрали самые яркие примеры, дающие представление о том, как самые современные достижения в IT- и биотехносферах сейчас используются на различных фронтах борьбы с коронавирусом.

Поиск лекарства

К поискам лекарства от COVID-19 подключили самый мощный в мире суперкомпьютер Summit производства корпорации IBM, принадлежащий Ок-Риджской национальной лаборатории министерства энергетики США. Исследователи использовали Summit для перебора более 8000 лекарственных соединений, чтобы выявить самое действенное средство против коронавируса. Среди этих соединений были вещества как природного, так и лабораторного происхождения. Что более важно — ранее они все были протестированы на людях и одобрены в качестве безопасных. Summit сузил список до 77 наименований.

“Логика в том, что если хотя ⁠бы одно из этих соединений сработает, ⁠это будет куда быстрее разработки нового лекарства ⁠с необходимостью получения одобрения ⁠и дальнейшего его распространения”, — пояснил изданию OneZero молекулярный биофизик ⁠из ⁠Университета Теннесси Джереми Смит. Именно он руководит процессом поиска на ⁠Summit. Смит и его коллеги опубликовали результаты исследования на сервере ChemRxiv.

При отборе лекарств использовались результаты китайских ученых, секвенировавших геном коронавируса. Учитывая эти данные, команда Смита запрограммировала Summit на поиск конкретного типа соединений, которые могли бы связать похожие на зубцы короны (отсюда и название) белки вируса, чтобы предотвратить его попадание в клетки.

Дело осложнялось тем, что эти зубцы постоянно совершают множество мелких движений, и ученым нужно было смоделировать эти движения, чтобы выявить эффективные лекарства. Но с помощью алгоритмов машинного обучения суперкомпьютер смог решить эту проблему довольно быстро.

Разработка лекарственных препаратов — печально известный своей длительностью процесс. На вывод лекарства на рынок может уйти до 10 лет. Именно поэтому работа Summit очень важна. 77 соединений, отобранных суперкомпьютером, теперь будут проверяться на животных и на человеческих клетках в лабораторных условиях. Вирусологи в Центре здоровья при Университете Теннесси уже начали испытания. Если какое-либо из этих лекарств покажет свою эффективность в борьбе с коронавирусом, то ученые смогут обойтись без предварительного испытания его на безопасность и сразу перейти к проверке на эффективность на людях.

“Не знаю, сработает ли какое-либо из уже найденных соединений, — признается Смит. — Кто знает, может быть, эффективными окажутся несколько, а может — ни одно”. Однако ученый предполагает, что при будущих вспышках новых не поддающихся (пока что) лечению вирусных заболеваний человечеству помогут именно такие компьютерные симуляции, в которых будут задействованы суперкомпьютеры со всего мира. “Мы могли бы держать весь научный инструментарий наготове, чтобы как можно быстрее реагировать на такие ситуации”, — говорит Смит.

Изучение вируса

Чтобы победить врага, желательно побольше о нем знать. Именно этим занялся Folding@Home — проект распределенных вычислений для компьютерного моделирования динамики атомов молекул белка. “У вирусов также есть белки, которые они используют для подавления нашей иммунной системы и для размножения. Чтобы помочь в борьбе с коронавирусом, мы хотим понять, как работают эти вирусные белки и как мы можем разработать терапевтические средства, чтобы остановить их”, — поясняется на сайте проекта.

Сам проект был начат еще 20 лет назад и сейчас базируется в Университете Вашингтона в Сент-Луисе. Свои вычислительные ресурсы для исследований предоставили как сотни тысяч рядовых пользователей, так и крупные компании — NVidia, Amazon, Oracle. Благодаря этому производительность сети распределенных вычислений уже превысила 2,4 эксафлопса, то есть 2400 петафлопсов (один петафлопс — это квадриллион, или миллион миллиардов, операций в секунду). Это в 16 раз выше производительности суперкомпьютера Summit (150 петафлопсов). И теперь Folding@Home по своей производительности превосходит 500 самых мощных суперкомпьютеров мира, вместе взятых.

Прогнозирование

Пандемия COVID-19 лишний раз подтвердила, что на официальные данные полагаться нельзя. Всемирная организация здравоохранения впервые уведомила общественность о вспышке ⁠коронавируса в китайском Ухане 9 января, но еще десятью днями ранее эту вспышку обнаружил с помощью своего ИИ ⁠канадский стартап BlueDot. Он уведомил об этом своих клиентов через платформу Insights еще 31 декабря.

С тех пор BlueDot почти в режиме реального времени информирует своих клиентов, включая министерства здравоохранения дюжины стран (в том числе Канады и США), больницы и авиакомпании, о распространении COVID-19. Алгоритм точно предсказал экспансию вируса из Уханя в Бангкок, Сеул, Тайбэй и Токио.

Основатель BlueDot Камран Хан работал специалистом по инфекционным болезням в больнице в Торонто во время эпидемии атипичной пневмонии 2003 г. и с того времени мечтал найти лучший способ для отслеживания заболеваний. После тестирования нескольких прогностических программ Хан запустил BlueDot в 2014 г. и привлек венчурное финансирование на сумму $9,4 млн.

Сейчас в компании работают 40 сотрудников — врачей и программистов. Они выявляют вспышки более 150 различных патогенов, токсинов и синдромов почти в реальном времени. Для этого ИИ ежедневно сканирует более 100 тыс. массмедиа и официальных источников на 65 языках. Также BlueDot имеет доступ к анонимным агрегированным глобальным данным о миллиардах пассажирских авиаперелетов и сотнях миллионов мобильных устройств. Эти данные помогают предсказать, куда и когда направятся зараженные жители. Кроме того, ИИ учитывает климатические условия, возможности системы здравоохранения, популяции животных и насекомых в разных странах — в общей сложности более чем 40 баз данных о факторах, влияющих на потенциал вспышек и мобильность заболеваний.

Моделирование

9 апреля в журнале Infection Control and Hospital Epidemiology была опубликована статья двух американских профессоров-математиков, которые создали математическую модель распространения пандемии COVID-19. Возможно, кто-то спросит, а зачем это нужно. Так вот, эта модель позволила выявить, во сколько раз занижены официальные данные в тех странах, которые заинтересовали авторов модели.

Например, в Италии на четырех инфицированных приходился лишь один диагностированный. Это может показаться провалом итальянского здравоохранения, но авторы работы считают, что итальянцы по сравнению с другими еще молодцы. Примерно такая же доля выявленных случаев COVID-19 (один из четырех), согласно модели, наблюдалась в Южной Корее — стране, которая справляется с пандемией едва ли не лучше всех в мире. В других государствах ситуация была гораздо хуже.

Так, моделирование выявило, что в Испании диагностировался лишь один случай на 53 фактических заражения. А в Китае, согласно расчетам, частота выявления оказалась в диапазоне от 1 к 149 до 1 к 1104. При таких раскладах недиагностированными остались от 12 до 89 млн инфицированных китайцев.

А наилучшей страной в плане диагностики оказались США: по расчетам авторов модели, к 6 апреля там были выявлены каждые два из трех случаев COVID-19.

Дезинфекция

Борьба с инфекцией не может не включать в себя дезинфекцию. И здесь на помощь пришли роботы и дроны. Наиболее масштабно это выглядело в Китае.

Еще в феврале компания Sunay Healthcare Supply (поставщик медицинского оборудования на китайском рынке) заключила договор с датской компанией UVD Robots на покупку роботов для дезинфекции. Они способны самостоятельно перемещаться по медицинским учреждениям и обрабатывать поверхности ультрафиолетом, минимизируя риск заражения для медперсонала. Глава Sunay Healthcare Supply заявил, что с помощью этого соглашения эффективную дезинфекцию будут проводить более 2000 больниц.

Сами китайцы также не сидят сложа руки. С начала эпидемии компания XAG, один из мировых лидеров в производстве сельскохозяйственной техники, оптимизировала технологию и создала специальный фонд в 5 млн юаней (более $700 тыс.) для сдерживания эпидемии. Компания предоставила свою умную сельхозтехнику, такую как дроны XPlanet и роботы R80, для распыления дезинфицирующих средств в местах, подверженных заражению.

Дрон и робот могут работать независимо друг от друга, но могут и объединяться: дрон обрабатывает основную часть территории, а робот — труднодоступные места. За день беспилотник XPlanet способен дезинфицировать 60-70 га — это задача, для выполнения которой обычно требуется 100 людей.

Предохранение

Для предотвращения распространения коронавируса пригодились технологии, которые раньше были необходимы ⁠в основном людям с инвалидностью. Так, стартап Slightly Robot, создающий устройства для людей с самоповреждающим поведением, разработал браслет, который помогает не прикасаться к лицу во время эпидемии — точно так же, как подобные браслеты помогают людям с обсессивно-компульсивным расстройством избавиться от навязчивого выдергивания волос или царапанья кожи. Браслет называется Immutouch. Он связан со специальным приложением для iPhone и Android, которое помогает отслеживать свои успехи в борьбе с вредной привычкой.

Проблема в том, что на улице можно столкнуться с зараженным человеком или объектом, а потом коснуться глаз, носа или рта и моментально впустить вирус в свой организм. Однако перестать трогать руками лицо — это слишком сложная задача. По подсчетам ученых, каждый час человек неосознанно прикасается к своему лицу около 23 раз. Браслет Immutouch помогает избавиться от привычки постоянно поправлять прическу, протирать глаза, чесать нос и теребить губы. Гаджет постоянно следит за положением рук человека и считает, сколько раз в день он пытается коснуться своего лица. Когда рука приближается к глазам, носу или рту, устройство начинает вибрировать, напоминая пользователю, что так делать нельзя.

Один браслет Immutouch стоит около $50. Разработчики не забыли о том, что человек касается лица любой из двух рук, поэтому предлагают купить сразу два устройства и надеть их сразу на два запястья. Производитель уже объявил, что получил кучу заказов.

Тестирование

Как отмечает TechCrunch, чтобы эффективно отслеживать распространение вируса, нужно сначала эффективно его выявлять. Но как раз это является узким местом. Решение проблемы предложила американская химико-фармацевтическая корпорация Abbott.

27 марта она сообщила, что Администрация продовольствия и медикаментов (FDA) США разрешила к использованию тест ID NOW COVID-19, который определяет коронавирус за 5 минут. Это самый быстрый тест на коронавирус, который существует в мире.

Тест проводится на платформе Abbott ID NOW. Это легкое портативное устройство весом всего лишь 3 кг и размером с небольшой тостер. Благодаря этому тест можно проводить в самых разных местах, не обязательно в больнице.

До появления коронавируса платформа ID NOW использовалась для диагностики гриппа A и B, скарлатины (Strep A), респираторно-синцитиального вируса (RSV). Поэтому она уже широко доступна в США в кабинетах врачей, клиниках и отделениях неотложной помощи в больницах.

В отличие от применяемых в разных странах экспресс-тестов, которые ищут в крови человека антитела к коронавирусу, тест ID NOW основывается на молекулярном тестировании, которое работает с образцами слюны и слизи. Эта технология позволяет обнаружить присутствие вируса, идентифицируя небольшую часть его генома.

13 апреля Abbott сообщила, что она уже отправила 566 тыс. тестов ID NOW во все 50 штатов, Вашингтон, на Пуэрто-Рико и острова Тихого океана. Большинство из этих тестов были отправлены в горячие точки вспышки пандемии. “В настоящее время мы производим 50 тыс. тестов в день, планируем увеличить производственную мощность ID NOW до 2 млн тестов в месяц к июню и работаем над тем, чтобы выйти за рамки этого”, — пообещала компания.

Поиск контактеров

Пандемии способствует то, что люди, встретившись с носителем вируса, могут заразиться и, ничего не подозревая, заражать других. Чтобы способствовать выявлению таких случаев, Apple и Google занялись разработкой совместного приложения.

Оно будет работать по технологии Bluetooth Low Energy и сможет фиксировать устройства всех пользователей, которые имели контакты друг с другом. Так можно отслеживать контакты не только зараженного человека, но и здоровых людей, которые с ним контактировали. Выявление этих цепочек контактов позволит предупредить людей, находящихся в опасности, чтобы они обратились к специалистам для подтверждения или опровержения опасений.

Данные будут собираться постоянно не только среди знакомых, но и среди тех людей, которых человек просто встретил на улице. Если люди подошли довольно близко друг другу и система будет знать, что один из них болен, она насторожится. Для обеспечения безопасности она оповестит всех, кто потенциально мог заразиться.

Для работы сервиса важна только одна вещь. Пользователь, узнавший, что он является инфицированным, должен сразу же отметить это в приложении. После этого все будет работать само. Если пользователи будут отмечать в приложении, что они больны, они смогут спасти десятки и даже сотни жизней.

Разработчики обещают максимальную конфиденциальность. Все данные будут собираться в автоматическом режиме. На сервер будут передаваться не имена пользователей, а их идентификаторы. В дополнение к этому данные все равно будут очень надежно шифроваться. Так можно будет избежать слежки за пользователями и утечки их личных данных. Даже если они утекут и будут расшифрованы (что уже маловероятно), никто не узнает, что за идентификатором скрывается конкретный человек. Это важный момент с точки зрения завоевания доверия пользователей.

Технология Bluetooth Low Energy выбрана для работы приложения не случайно. Она имеет минимальное потребление энергии и может даже при выключенном смартфоне чуть ли не месяцами рассылать сообщения на другие устройства, находящиеся рядом.

Так, например, вы можете найти потерянный или украденный iPhone в приложении “Локатор”, даже если аппарат выключен. Если iPhone выключен или из него достали симку, самостоятельно выйти в сеть он не сможет, но сможет передать сигнал SOS на iPhone, который оказался рядом. Тот уже сам отправит сообщение на сервер: мол, пропажа найдена. Все это делается в автоматическом режиме, и хозяин смартфона-спасителя даже не заметит, что помог кому-то найти дорогой гаджет.

Технология Bluetooth Low Energy поддерживается на всех устройствах, оснащенных Bluetooth 4.0. Это уже не новая технология, она доступна несколько лет. Например, Apple внедрила ее еще в iPhone 4s. Можно предположить, что новое приложение от Google и Apple охватит основную массу устройств.

Кроме этого, в отличие от GPS, технология Bluetooth Low Energy позволяет очень хорошо фиксировать перемещения и контакты людей. Так, внутри большого торгового центра, вагона подземки или жилого дома GPS работать не будет, а Bluetooth Low Energy, наоборот, будет очень эффективна — ей достаточно приближения одного устройства к другому. Такая функциональность очень пригодится для фоновой работы при определении заражения коронавирусом.

Надо отдать должное компаниям Apple и Google. В обычной жизни они являются конкурентами на рынке средств связи. Но когда пришла беда мирового масштаба, они объединили свои усилия в работе над приложением, которое ориентировочно должно выйти уже в мае. Учитывая, что почти все смартфоны, за редким исключением, работают на iOS или Android, такое сотрудничество особенно важно.

Юрий ВИШНЕВСКИЙ