«Когда вам необходимо решить сложную задачу из химии, физики или биологии – возьмите любую, совершенно любую красивую математическую теорию. Обобщая ее, вы рано или поздно найдете решение»
Поль Дирак
Кириченко Алексей – врач-травматолог, хирург. В 2001 году окончил факультет подготовки врачей для военно-морского флота Военно-медицинской Академии им. С.М. Кирова в Санкт-Петербурге. В 2004 году поступил в клиническую ординатуру Военно-медицинской Академии по специальности «военная травматология и ортопедия». По программе обучения проходил усовершенствование по циклу «Основы сосудистой и микрососудистой хирургии» при кафедре факультетской хирургии Санкт-Петербургского Государственного медицинского университета им. Академика И.П. Павлова.
По окончании клинической ординатуры с 2007 по 2009 год проходил службу в госпиталях Московского округа, руководил профильным отделением. В 2008 году обучался по циклу «Хирургия с курсом пластической и реконструктивной микрохирургии» при Государственном институте усовершенствования врачей МО РФ.
Сегодня мы беседуем с Алексеем Кириченко на темы будущего медицинской инженерии и взаимосвязи математики и медицины:
На какие вопросы ответит медицинская инженерия будущего?
Прежде всего, раскрытие «живых патентов»: каким образом, с какой целью и при каких эволюционных обстоятельствах приобретались те или иные инженерные решения в природе? Ответы на эти вопросы дают большие возможности: технические устройства, будь то механизмы или системы искусственного интеллекта, будучи «биологически подобными», обещают существенную экономию материалов и энергии, прирост точности решения задач, долговечности, поскольку развитие этих свойств является главной магистралью эволюции.
Наша работа направлена на раскрытие физической сути происходящих в живых системах процессов. Самоподобие в биологической организации, универсальность законов физики в живой и неживой природе, высокая степень интеграции живых систем нередко подбрасывают сюрпризы: изучал динамику трения суставного хряща – получил закон управления мышечным сокращением, изучал упругость биологических каркасов – обнаружил многомерную поверхность без края и так далее.
Вы практикующий врач-хирург, который пришел к римановой геометрии и системам дифференциальных уравнений. Как?
С накоплением клинического опыта врача ортопеда, а опыт в медицине – основной массив информации для предсказания и принятия решений, возникла потребность как-то его формализовать. Дело заключалось в том факте, что в патогенезе заболеваний и травм свое явное значение имели малые отклонения костей, не описанные в классических работах по ортопедии и биомеханике. Я стал детально изучать биомеханику, но убедительного ответа на свой вопрос не находил. Что-то в книгах ускользало, не хватало чего-то важного, чего и сформулировать точно не получалось. Стало очевидно, что нужен учитель и наставник, поскольку фронт появляющихся вопросов стал стремительно уходить за горизонт.
Тогда и познакомились с профессором Сергеем Валентиновичем Петуховым?
Совершенно верно. Я обратился за помощью в лабораторию исследований биомеханических систем ИМАШ им. А.А. Благонравова РАН. Сергей Валентинович тогда подарил мне одну из своих книг. По мере чтения мои разрозненные интересы прочно соединялись в новую целостную систему знаний, в которой гармонично сплетались сведения из анатомии и физики, генетики и механики, эволюционной биологии и клинических дисциплин. Удивительно точно и последовательно их связывала математика.
Например, стало понятно, что при описании геометрии живых систем традиционная Евклидова геометрия «крадет» множество параметров, приводя сложные винтообразные траектории к плоскому виду и спрямляя важную «нерегулярность» живых поверхностей. Или хаотические процессы и структуры в живой природе. В бытовом понимании хаос – беспорядок, в мире же больших размерностей хаос, «разупорядоченная гипероднородность», – вполне осмысленное и упорядоченное явление.
Медицина приблизилась к применению возможностей управляемой регенерации тканей и биофабрикации (биопечати). В чём видите здесь пользу аксиоматических теорий ?
Действительно, в деле реконструктивной хирургии, в том числе травматологии и ортопедии, до сих пор существуют задачи, не имеющие полноценного решения – это задачи возмещения сложных дефектов – состояний, при которых необходимо восстанавливать и кость, и мышцы и нервы с сосудами, в некоторых случаях существует потребность в замене пораженных внутренних органов.
Биопечать – способ конструирования тканей из низкодифференцированных клеток. Довольно быстро стало ясно, что стволовые клетки не имеют достаточно информации для “самоидентификации” и дальнейшей дифференцировки. Эту информацию клетки получают в ходе эмбрионального развития и далее в онтогенезе, ориентируясь на информацию, содержащуюся в генетическом коде. Генетическую информацию можно использовать чтобы в краткие сроки пройти через эмбриональную фазу и достигнуть состояния зрелого блока “напечатанных” тканей.
Для этого следует выявить параметры системы, рассмотреть взаимодействия всех и каждого из них во времени, установить закономерности преобразований и составить проект создаваемого биологического объекта. Геометрия и топология, комбинаторика, теория групп, теория управления, теория нелинейных динамических систем – пожалуй, это самое начало подхода к строгому пониманию морфологии.
Хотя до полных решений еще не близко, формализовать такую задачу математически – уже серьезный шаг вперед. Свидетельствует об этом, например, концепция «механической среды морфогенеза» (mechanical environment of morphogenesis). Дело, конечно, не только в механических воздействиях, а в колебательных процессах вообще, для описания которых существуют стройные математические и физические теории.
Например, сосуды растут вдоль силовых линий переменного электромагнитного поля, порождаемого первыми сократительными клетками. Предшественники клеток крови мигрируют в эмбриональные сосуды под действием колебаний ультразвукового диапазона, мышечные клетки активно дифференцируются в условиях механических колебаний частотой 100-150 герц; так же имеют значения колебания концентраций биологически активных веществ, метаболитов, фазовых состояний биологических жидкостей и прочих.
Вы рассказали о колебаниях в живой материи – это физические явления, а какую роль геометрии и общей теории чисел видите в биомедицине?
Связь алгебры и медицины исчерпывающим образом сформулировал академик Константин Васильевич Фролов еще в 1969 году. Математика является инструментом идентификации живых систем, то есть позволяет понять существо живой материи и эволюционный замысел, породивший ее.
Геометрия и топология представляют живейший интерес с точки зрения биоморфных энергосберегающих технологий и технологий обработки материалов. Математические находки последних десятилетий, например, некоторые топологически родственные многомерные пространства, приоткрывают завесу тайны биологического разнообразия и помогают систематизировать персонифицирующие признаки любого живого существа. Известно так же о действии геометрии биологических каркасов на заселяющие их клетки.
Свойства чисел на числовой прямой – их плотность, распределение, делимость удивительным образом воспроизводят свойства биологических процессов и структур. Например, на распределения и размеры клеток в тканях, форму потенциалов действия, характер упорядоченности, наблюдаемый в живых системах и так далее.
Какие перспективы «алгебраизации» медицины?
В реконструктивной хирургии – это автоматизированные системы культивации сложных тканевых комплексов для замещения дефектов, «выращивания» искусственных органов. Например, уже разработана концепция антропоморфного робота, как биореактора. Совершенно справедливо авторы полагают, что условия культивации в этом случае будут наиболее подходящими.
Коротко резюмируя, можно сказать так: в хирургии хорошо известно, что случится, если повредить или разрушить какую-либо часть тела. Однако пока никому не известны «технические условия проектирования и конструирования» более или менее сложного элемента живого организма.