Bez lidských doktorů se medicína ještě dlouho neobejde, stále častěji se v ní ale uplatňují superpočítače, umělá inteligence a robotická technika. Na pomoc přicházejí také při současné pandemii Covid-19, při hledání léků na nádorová onemocnění a v mnoha dalších medicínských oborech.

"Amerika se ocitla ve válce s pandemií, což kromě jiného znamená zapojit všechny naše superpočítače, abychom urychlili vědecký výzkum směřující k nalezení vakcíny," uvedl Michael Kratsios, vědecký a technologický poradce Bílého domu. V USA už vzniklo sdružení, jehož členy jsou zástupci vlády, vědecké sféry a byznysu. Superpočítače, kterými disponují, budou volně přístupné vědcům, kteří se zabývají výzkumem původce choroby Covid-19 i vývojem vakcín a léků proti ní.

"Díky našim superpočítačům budeme moci získat komplexní odpovědi na otázky související s onemocněním Covid-19 během hodin nebo dní, zatímco normálně by to trvalo týdny nebo měsíce," uvádí se v tiskových materiálech Bílého domu týkajících se vzniku tohoto sdružení.

V současnosti konsorcium zajišťuje přístup k 16 superpočítačovým systémům, což představuje více než 330 petaFLOPS počítačového výkonu, tedy 330 x 1015 operací za sekundu.

Hledání mezi miliardami molekul

Jednou ze státních vědeckých organizací zapojených do tohoto programu je kosmická agentura NASA, která provozuje superpočítače především v rámci snahy vytvářet modely vývoje klimatu planety a oceánského proudění v důsledku klimatických změn. Nyní se jejich výpočetní výkon přeorientuje na hledání cest, jak porazit Covid-19.

Některé programy využití superpočítačů k potlačení pandemie již v USA běží. V Národních laboratořích Oak Ridge, spravovaných ministerstvem energetiky, analyzovali pomocí extrémního výpočetního výkonu několik tisíc sloučenin, u nichž je naděje, že by mohly fungovat jako prostředek proti koronaviru. Výsledkem bylo zúžení pozornosti vědců na 77 slibných molekul.

"Za hodinu tady můžeme provést tolik výpočtů, které by na běžném počítači trvaly měsíc," říká Jeremy Smith, ředitel centra molekulární biologie v Oak Ridge.

Obrovská výpočetní kapacita vědců slouží k hledání evolučních vztahů mezi jednotlivými druhy koronavirů.

Počítačové analýzy se nyní zaměřují především na již existující léky proti jiným chorobám, protože je šance, že by to zkrátilo nezbytné schvalovací procedury. Vědci přitom vycházejí ze skutečnosti, že virus SARS-CoV-2 je nápadně podobný svým již dříve známým příbuzným ze skupiny koronavirů, jako byly viry způsobující epidemii SARS v roce 2002 a 2003 nebo MERS v roce 2012, ale také viry, které mají na svědomí i relativně banální nemoci. Superpočítačové simulace se proto zaměřují na hledání odchylek a odlišností mezi nimi, na mechanismy replikace viru a na to, jak tyto mechanismy proti němu využít.

Obrovská výpočetní kapacita vědců slouží k hledání evolučních vztahů mezi jednotlivými druhy koronavirů, k pochopení toho, jak a proč jednotlivé mutace vznikaly a jaké jsou mezi nimi vztahy v čase a v prostoru. Slibují si od toho vystopování klíčových částí genové informace viru, které by posléze mohly být cílem protilátek. Na základě toho pak lze navrhovat vakcíny.

Virologové také zkoumají vztahy mezi virem a napadenou buňkou a možnosti, jak do nich prostřednictvím určitých molekul vstoupit a tak je přerušit. Existují miliardy molekul, které takový potenciál mají. Vedle toho je ale nutné ověřit jejich toxicitu či zjistit, v jakých dávkách by měly být podávány.

Američtí vědci mají v boji proti onemocnění Covid-19 určitý náskok, protože v minulých letech pracovali na metodikách využití superpočítačů při hledání prostředků proti jiným onemocněním, zejména proti rakovině. Některé z těchto aktivit se nyní přeorientují na virus SARS-CoV-2.

S procesory proti rakovině

Už roku 2016 americký Kongres odsouhlasil částku 1,8 miliardy dolarů na projekt Cancer Moonshot, který se zabývá intenzivním výzkumem rakoviny a hledáním léků proti nádorovému bujení. Realizaci zajišťuje Národní institut pro výzkum rakoviny společně s americkým ministerstvem energetiky.

Program má tři hlavní cíle: porozumět molekulárním pochodům při přeměně zdravé buňky na nádorovou. Vypracovat modely umožňující předvídat reakce nádorových buněk na nejrůznější látky a zpracovat informace od milionů pacientů. Protože jde o úkoly mimořádně náročné na zpracování velkého množství informací, na projektu Cancer Moonshot se podílejí také odborníci specializovaní na práci s daty, simulace a tvorbu počítačových modelů. Zaměřují se především na uplatnění metod strojového učení a umělé inteligence. Vyvinuli proto neuronovou síť s velkou kapacitou, kterou nazvali Candle, což kupodivu neznamená svíčku, ale Cancer Distributed Learning Environment. Pro tyto účely mají badatelé k dispozici superpočítače Národních laboratoří Oak Ridge.

"Klíčovým prvkem programu Cancer Moonshot jsou právě superpočítače," říká jaderný fyzik a bývalý ministr energetiky USA Ernest Moniz, jeden z autorů programu. "Extrémně výkonné stroje mají potenciál výrazně urychlit vývoj léčebných postupů proti rakovině."

Čím dál víc odborníků souhlasí s názorem, že vnitrobuněčné mechanismy vedoucí ke vzniku nádorového bujení jsou tak složité, že je bez extrémního počítačového výkonu nelze komplexně zmapovat. Podle Aarona Dubrowa z Texaského centra pro pokročilé výpočetní systémy se superpočítače uplatní hned v několika oblastech boje s rakovinou: v chemoterapii a vývoji léků, v imunoterapii, v radioterapii, v chirurgii při přípravě přesných postupů, v genetických metodách léčby, při návrhu individuální léčby na míru pacienta i při diagnostice.

Mechanismy vedoucí ke vzniku nádorového bujení jsou tak složité, že je bez extrémního počítačového výkonu nelze zmapovat.

Nejvýkonnější na světě

Do boje s rakovinou se proto poslední dobou zapojují i další superpočítače. Jde o mimořádně drahé stroje, proto se ve vědecké sféře využívají obdobným způsobem jako sálové počítače v časech počátků výpočetní techniky. Jejich strojový čas je tak zájemcům přidělován na konkrétní úkoly.

Mezi takové počítače bude patřit i systém Aurora, který chce Ministerstvo energetiky USA uvést do provozu v roce 2021. S výpočetním výkonem převyšujícím jeden exaFLOP (číselně vyjádřeno jde o jedničku, za níž následuje 18 nul, jinak řečeno miliarda miliard), což je hranice, kterou zatím žádný superpočítač nepřekonal. Bude mít architekturu speciálně navrženou pro účely strojového učení a umělé inteligence a americké daňové poplatníky přijde na půl miliardy dolarů. Mezi jeho úkoly bude vedle simulace jaderných explozí, klimatických modelů, studia subatomových částic, vývoje neuronových sítí a materiálového výzkumu patřit i medicínský výzkum. Amanda Randlesová z katedry biomedicínského inženýrství Dukeovy univerzity v Durhamu se chystá Auroru využít pro vytvoření modelů putování nádorových buněk krevním řečištěm a vzniku metastáz.

"Chceme, aby lékaři měli možnost detailně poznat kardiovaskulární systém pacienta a získali tak nástroj k predikci, kde mohou vznik metastáz očekávat," vysvětluje Randlesová. "Díky tomu budou moci diagnostiku i léčbu vytvořit přímo na míru konkrétním pacientům a od počátku se zaměřit na místa, kde by mohly vznikat sekundární nádory."

Důvod, proč jde o úkol pro nejvýkonnější superpočítač, vyplývá z rozměrů krevního řečiště v lidském těle. Jeho celková délka dosahuje přibližně 16 tisíc kilometrů, což je srovnatelné s leteckou trasou z Prahy do australské Canberry.

Diagnostické programy s prvky umělé inteligence už dnes mají srovnatelné nebo lepší výsledky než lékaři.

Superpočítače se chystá zapojit do služeb medicíny také Evropská unie. Její program Euro HPC počítá s vybudováním sítě osmi vzájemně propojitelných center vybavených superpočítači, z nichž jedno bude v Ostravě. Program s rozpočtem 840 milionů eur počítá i s medicínským využitím, především s urychlením a zlevněním vývoje léků a léčebných postupů, se zlepšením diagnostických postupů a s vývojem personalizované léčby.

Výkonné počítače a prvky umělé inteligence se už dnes začínají uplatňovat v diagnostice. Například vědci z lékařské fakulty newyorské univerzity vypracovali program, který na základě genetické analýzy umí od sebe rozpoznat dva typy plicních nádorů u živých pacientů. S jejich identifikací mají problémy i zkušení patologové při pitvách. Přitom na typu nádoru závisí rozhodnutí o léčbě, protože jejich buňky reagují rozdílně. Ostatně diagnostické programy s prvky umělé inteligence už dnes mají srovnatelné nebo lepší výsledky než lékaři.

Výkonná výpočetní technika, modelování a umělá inteligence lékaře v dohledné době určitě nenahradí, ale prostřednictvím informačních technologií změní vztah mezi nimi a pacienty. Umožní řadu nemocí rozpoznat na dálku, čímž zkrátí dobu neproduktivně trávenou v čekárnách zamořených nemocemi a současně zrychlí a zpřesní diagnózy. U ohrožených osob umožní průběžné monitorování na dálku, kdy bude možné předvídat riziko zhoršení stavu a vhodnými zásahy mu předcházet. Je pravděpodobné, že současná pandemie Covid-19 takový vývoj a zavedení těchto metod do praxe výrazně urychlí.

Související
Newsletter

Sedmička HN

Život se vrací do normálu a my vám chceme pomoct, aby to byl návrat co nejpříjemnější. Proto tu je newsletter Sedmička HN. Sedm zajímavých tipů pro čtení a několik nápadů pro volný čas, každý pracovní den v sedm ráno přímo do vaší mailové schránky!

Přihlášením se k odběru newsletteru souhlasíte se zpracováním osobních údajů za účelem příjmu newsletteru. Z odběru se můžete kdykoli odhlásit.

Přihlásit se k odběru