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盘点先进技术在医疗领域的7项应用

来源:仪器仪表网发布时间:2020.03.18 22:22:24 阅读:253

1、人工智能系统发现强大的新型抗生素来应对超级细菌

细菌对抗生素的抗药性发展速度远快于新药的开发速度,有可能导致我们进入危险的未来,出现致命的感染。但现在,一个人工智能模型已经识别出一种功能强大的新型抗生素,称为halicin,可以在小鼠测试中清除大多数超级细菌的感染。

药物发现是一项艰巨的任务,需要处理大量数据-而这正是AI擅长的工作。在这项研究中,麻省理工学院和哈佛大学的研究人员首先在大约2500个分子上训练了机器学习模型,其中包括现有的FDA批准的药物和其他天然产品。

一旦系统很好地掌握了这些分子的生物学作用,研究小组便将其放到大约6.000种药物化合物的库中,以寻找具有强抗菌活性的化合物。它找到了一个。

该研究的资深作者詹姆斯·柯林斯说:“我们希望开发一个平台,使我们能够利用人工智能的力量来开创抗生素药物发现的新时代。”“我们的方法揭示了这种惊人的分子,可以说它是已发现的更强大的抗生素之一。”

  与现有抗生素环丙沙星(下排)相比,新的抗生素盐霉素(上排)显示出对大肠杆菌的更强的抗菌作用,许多虫子对此已经产生抗药性。(图源:麻省理工学院柯林斯实验室)

  根据2001年的AI系统HAL:太空漫游,该分子被称为halicin。毫无疑问,这是发现新药的先驱,但我们不禁感到它听起来很奇怪。

在实验室测试中,halicin分子杀死了几乎所有针对其测试的细菌,包括艰难梭菌,鲍曼不动杆菌和结核分枝杆菌,它们均对其他抗生素具有抗性。

研究小组说,下一阶段的工作重点将是开发最终用于人类的halicin。AI系统还确定了其他23种候选抗生素,其中8种在实验室测试中显示出抗菌活性,其中2种特别强。这些也将在以后进行进一步测试。

2、基因编辑工具CRISPR用于治疗遗传性失明

在一项新的临床试验中,俄勒冈健康与科学大学(OHSU)的科学家利用基因编辑工具CRISPR,以治疗导致失明的基因突变——Leber先天性黑病(LCA)。这种罕见的病是由影响视网膜的遗传突变引发的,导致患者在生命的最初几年内天生失明。

该突变发生在名为CEP290的基因上,因此研究人员将加载CRISPR的药物直接注射到视网膜后的感光细胞中,在那里进行操作以清除有缺陷的基因。

  CRISPR在人体中使用,以纠正遗传失明状况

  自从2012年被开发以来,CRISPR已显示出有望成为治疗一系列遗传病的潜在新方法。该工具使医生可以剪掉有问题的DNA部分,例如引起疾病的部分,并可以选择用有益的物质代替它们。

OHSU的首席科学家Mark Pennesi说:“能够编辑人体内的基因非常重要。”“除了可能为以前无法治愈的失明症提供治疗之外,体内基因编辑还可以使更广泛的疾病得到治疗。”

该治疗被设计成对患者来说是永久性的,但不会传递给他们将来可能会有的任何孩子。这是一个重要的区别,因为基因治疗的主要风险之一是,如果在这种情况下出现问题,可能会世代改变人类的基因库。这种担忧在2018年出现了,当时的秘密实验导致了世界上第一个基因编辑的婴儿的诞生。

3、“智能”隐形眼镜通过改变颜色来检测眼睛的不适

对于眼科医生而言,有时需要对现场问题进行确定的现场诊断,有时可能会遇到挑战。新型“智能”隐形眼镜旨在通过响应两种常见疾病而改变颜色来提供帮助。

由中国科学院深圳先进技术研究院(SIAT)的团队开发的原型镜片由生物相容性水凝胶制成。该凝胶又由称为聚(甲基丙烯酸2-羟乙酯)或简称pHEMA的聚合物组成。无需使用其他化学颜料。

通常,pHEMA看起来是红色的。但是,放在异常干燥的眼睛上约25分钟内,聚合物的纳米结构会在反应中发生变化,从而降低水分含量。结果,它切换为反射入射光为蓝色。

  通常为红色,放在过于干燥的眼睛上时,镜头会变成蓝色

  据报道,这种智能接触器还能够检测出诸如青光眼之类的情况,在这种情况下眼睛的眼内压会非常高。在那种情况下,水凝胶上的压力再次改变了它的反射纳米结构,这次使它看起来呈绿色。

首席科学家杜学敏教授说:“这项研究提供了一种新颖,智能的可穿戴设备,用于及时,简便地警告干眼症(干眼)和高眼内压疾病的风险。”“这也将激发新一代具有比色传感功能的可穿戴设备的设计,该设备可对各种人体体征和疾病进行实时POC(即时护理)监控。”

应该注意的是,这并不是我们见过的第一个变色治疗隐形眼镜。先前的例子包括一个变成蓝色表示已经成功地将药物送入眼睛,另一个提醒糖尿病患者血糖水平的变化。

4、手持式3D打印机用于生长置换肌肉组织

当某人因意外事故或疾病而遭受骨骼肌丧失时,要使新的肌肉生长就位非常困难。但是,新的手持设备旨在通过将“生物支架”直接放置在患者体内来提供帮助。

“生物支架”,简而言之,它们是植入体内的3维生物相容性材料,其微观结构类似于周围组织。随着时间的流逝,来自该组织的细胞迁移到支架中,使其定居并繁殖。最终,它们完全替代了材料,形成了纯净的肌肉,骨骼,软骨或其他组织。

也就是说,预先生产这种生物支架,然后将其植入肌肉是非常具有挑战性的。考虑到这一点,康涅狄格大学的科学家开发了一款原型手持式3D打印机来完成这项工作。

  该设备的示意图,其纤维支架位于左下角(图源:康涅狄格大学)

  首先,将基于明胶的水凝胶直接沉积到肌肉内不需要的间隙中。集成的紫外线可使凝胶固化成由微小的类肌肉纤维组成的生物支架,该生物支架易于粘附在相邻的肌肉组织上,无需缝合。肌肉细胞然后进入支架。

在实验室测试中,该设备被证明可有效治疗小鼠的体积性肌肉丢失损伤。

5、可穿戴传感设备用于监测心力衰竭

心力衰竭并不一定要立即发生,而是必须持续监测。一种新的可穿戴设备旨在通过预先检测可能最终需要住院的更改来提供帮助。

加利福尼亚州的生物技术公司VitalConnect制造的VitalPatch设备最近在由犹他大学健康大学和VA盐湖城卫生保健系统领导的一项研究中进行了测试。

它临时贴在患者的胸部上,不断监测他们的心率,心律和呼吸率,并检测身体活动,如步行,睡眠和身体姿势。所有这些数据都通过蓝牙从补丁程序传输到患者智能手机上的应用程序,然后从该应用程序上传到基于云的服务器。

然后使用基于机器学习的算法分析传感器数据,并将其与该患者先前记录的基线进行比较。如果检测到可能与病情恶化相关的任何变化,则会通过应用程序向他们发出警报。通常,直到很晚以后,患者或其医生才会注意到这种变化,这时问题可能会更加严重。

  Vital Patch心力衰竭监测装置

  在最近的测试中,有100名心力衰竭患者(平均年龄68岁)在因心力衰竭事件出院后,每天24小时至少连续30天佩戴该贴片。所有测试对象均为退伍军人,其中98%为男性。

结果发现,该技术成功地在80%的时间内预测了问题,平均需要6.5天的时间才能再次入院。现在,研究人员希望借助这样的预警系统,最终不必再录入。

犹他大学的博士说:“如果我们能够在心力衰竭恶化之前识别出患者,并且医生们有机会根据这一新颖的预测改变治疗方法,我们就可以避免或减少住院治疗,改善患者的生活,并大大降低医疗费用,”Josef Stehlik,该研究论文的主要作者。“随着技术的发展和人工智能统计方法的发展,我们有了新的工具来实现这一目标。”

6、采血机器人

该设备由新泽西州罗格斯大学的一个团队创建,最初被放置在患者手臂上,然后使用超声成像系统来定位一条良好的静脉。然后,它继续将针刺入该静脉中,抽取血液样本,然后将其转移到基于离心机的血液分析仪中-该分析仪已在2018年的人工手臂测试中使用。

在最近的实验中,采血机器人用于31名志愿者。从25位容易获得静脉的参与者中抽血成功率为97%,总体成功率为87%。

研究人员声称这些数字达到或超过了临床标准。更确切地说,罗格斯指出,根据先前的研究,临床医生未能将针正确插入静脉中的27%的患者无可见静脉,40%的患者无明显静脉和60%的消瘦患者。

可以想象,除了获取血液样本外,该机器人还可以用于包括静脉导管插入,透析和动脉管路放置在内的程序。当人类工人反复尝试进行此类手术的静脉尝试失败时,可能会导致并发症,例如静脉炎,血栓形成和感染。

该研究论文的主要作者,博士候选人乔希·莱伊海默(Josh Leipheimer)说:“像我们这样的设备可以帮助临床医生快速,安全和可靠地获取血液样本,防止因多次插针尝试而给患者带来不必要的并发症和痛苦。”

7、便携式技术使智能手机可以快速测试尿路感染

当前,为了确定某人是否患有尿路感染,必须将其尿液样本送至实验室–通常需要几天的时间才能得出结果。但是,现在,科学家们已经创建了支持智能手机的系统,该系统可以在不到25分钟的时间内运行。

该装置由英国巴斯大学的团队开发,结合了廉价的塑料条,这些条的表面刻有细小的通道。嵌入这些微通道中的是一种试剂,该试剂又包含特定类型的抗体。

将一滴尿液放在其中一条上时,毛细作用会将其吸引通过通道。抗体将与尿液中存在的任何大肠杆菌结合,从而使微生物保持原位。接下来,添加酶。如果通道中滞留有任何大肠杆菌,这将导致它们(进而是条带)发出不同颜色的荧光。

  使用智能手机分析发荧光时微流体条改变颜色的方式

  然后,使用第三方智能手机的相机,一个应用程序分析该颜色变化,向用户建议尿液中大肠杆菌的浓度。据该大学称,大肠杆菌在所有细菌性尿路感染中约占80%–也就是说,据报道该技术可适用于测试其他类型的细菌。

一旦进一步开发,可以想象,微流体系统可用于无法进行基于实验室的测试的偏远地区或发展中国家。此外,希望通过更快,更轻松地查看患者是否确实有感染,希望这种设置可以帮助减少抗生素的过量处方。

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