В мире науки 2020-03

Физика

Интерференционная картина Падающий Пластина Интерферен­
Экран свет со щелями ционная
(вид сверху) картина
Пластина с двумя щелями
Источник света Положение

Пластина с тремя щелями Темный Яркий

Интенсивность света

Картины интерференции с двумя и тремя щелями

Когда экспериментаторы поместили пластину с тремя щелями
вместо двух, они получили другую интерференционную картину.
Изучая эту новую картину, ученые обнаружили изъян в традицион-
ной трактовке принципа суперпозиции. Подобная схема экспе-
риментальной установки также предоставляет возможности для
квантовых вычислений.

концепция получила название корпускулярно- трехщелевые опыты прояснили, каким образом
волнового дуализма. Опыт также устанавливает принцип суперпозиции применяется в этих об-
принцип суперпозиции: частицы могут одновре- стоятельствах, и выявили новые тонкости в на-
менно находиться во множестве состояний и даже шем фундаментальном понимании этого явления.
во множестве мест. В двухщелевом эксперимен-
те частицы не должны проходить через одну либо Архитектура нашего трехщелевого эксперимента
другую щель — чтобы происходила интерферен- также предоставляет интригующие возможности
ция, каждая частица должна проходить через обе. для нарождающейся области квантовых вычис-
лений. Квантовые компьютеры могут позволить
Каким бы хорошо известным этот эксперимент выполнять вычисления, невозможные ранее, —
ни был, мы еще до конца не прочувствовали его при условии, что нам удастся поставить на служ-
глубины. Недавно моя научная группа Лаборато- бу их созданию всю мощь квантовой физики. Одна
рии квантовой информации и вычислений Науч- из центральных проблем в квантовых вычислени-
но-исследовательского института им. Венкаты Ра- ях — найти способ увеличить число бит квантово-
мана в Бангалоре провела «трехщелевые» экспери- го компьютера, называемых кубитами, так, чтобы
менты в СВЧ-диапазоне длин волн — вместо двух не разрушить суперпозицию, которая позволяет
щелей мы использовали три. На первый взгляд, кубитам находиться одновременно в двух состоя-
простая модификация, но это имеет принципи- ниях, — ключевая задача для того, чтобы достичь
альные следствия. С точки зрения теории наши огромного увеличения скорости ­вычислений.

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 49

Физика

От щелей к кутритам В то время как б льшая часть ученых, занятых
и квантовым вычислениям в этой области, работают над увеличением чис-
ла кубитов в системе, моя лаборатория пытается
Квантовые компьютеры позволят проводить вычисле- пойти альтернативным, менее исследованным пу-
ния быстрее, чем классические. Большинство квантовых тем, используя вместо двумерных кубитов кван-
битов, называемых кубитами, имеют два возможных со- товые биты большей размерности — кудиты. Ис-
стояния (базисные состояния), так же как традиционные пользуя трехщелевую систему, мы можем созда-
биты. Однако квантовые биты с тремя и более базисны- вать трехмерные кудиты, называемые кутритами
ми состояниями дают преимущество. (кутрит — квантовая ячейка, имеющая три воз-
можных состояния. — Примеч. пер.).
Формирование кутрита с помощью одного фотона
Принцип суперпозиции
Когда фотон (частица света) летит к щелям, она с равной вероят-
ностью может пройти через любую из них. Классическая частица Квантовая теория описывает фундаментальные
проходит только через одну, а квантовая действительно может частицы не просто как физические волны, но и как
пройти через все три, перейдя в состояние суперпозиции, по- волны, определяемые так называемым волновым
зволяющее ей находиться в трех местах одновременно. Фотон уравнением, решения которых обозначают гре-
теперь можно использовать как «кутрит» с тремя базисными ческой буквой пси ( ). Эти решения показывают
состояниями. амплитуду вероятности для частицы находиться
в любом данном состоянии.
Фотон А Супер­
Пластина со щелями В позиция Между тем наши исследования выявили изъ-
(вид сверху) С всех трех ян в том, как физики традиционно рассматрива-
возмож­ ют решения волнового уравнения в приложении
ностей к двухщелевому эксперименту. Представим себе
классический эксперимент и обозначим две щели
Квантовые вычисления с кутритами соответственно A и B. Решение волнового уравне-
ния, описывающего частицу в этой системе, мож-
Если ученые хотят создать квантовый компьютер с определен- но обозначить A, когда открыта щель А, и  B, ког-
ным суммарным числом возможных состояний, им потребуется да открыта щель B. Что происходит, когда откры-
меньше кутритов, чем двумерных кубитов. Это свойство — ты обе щели? Обычно в учебниках утверждается,
большое преимущество, поскольку чем больше бит в квантовом что решение A + B представляет собой тот факт,
компьютере, тем больше вероятность, что он потеряет свои что частица находится в состоянии суперпозиции,
квантовые свойства. в котором она проходит через обе щели. Это и есть
приложение принципа суперпозиции, однако оно
Бит Кубит Кутрит неполное. Причина проста: ситуация, когда одно-
временно открыты обе щели, — это не то же самое,
Классический Квантовый бит Кутрит имеет что комбинация ситуаций, когда открыта только
компьютер име- также имеет три базисных одна из двух щелей. Мы знаем, что, когда они от-
ет два базисных два базисных состояния крыты одновременно, частица каким-то образом
состояния. состояния, но и дает полное одновременно проходит через них обе и взаимо-
Он может на- он может нахо- число возмож- действует сама с собой, причем мы не можем пред-
ходиться только диться в обоих ных состояний, ставить это взаимодействие, просто сложив два
либо в одном, одновременно. равное 3n. решения.
либо в другом. Суммарное Например, два
С двумя битами число состоя- кутрита дают Ученые уже предполагали, что, возможно, тре-
мы можем полу- ний равно 2n, 32 = 9. буется некоторый поправочный член, чтобы сде-
чить четыре где n — число лать наше уравнение точным. Эта поправка но-
состояния. кубитов. сит название «параметр Соркина», поскольку была
предсказана в 1994 г. физиком Рафаэлем Сорки-
ным (Rafael Sorkin) из Сиракьюсского универси-
тета. Однако большинство ученых считали этот
член настолько малым, что им можно пренебречь.
И действительно, мы знаем, что он не может быть
слишком большим, иначе его обнаружили бы уже
давно. Но наш трехщелевой эксперимент доказал,
что этот член все-таки существует и что он не всег-
да настолько мал, чтобы им можно было прене-
бречь. Использование трех и более щелей дает нам
естественную испытательную площадку для оцен-
ки этого корректировочного члена, поскольку мы

50 В мире науkи | [03] март 2020

Физика

можем измерить величину (параметр Соркина), Мы первыми получили оценочную величину па-
которая равна нулю, если коррекционного члена раметра Соркина как поправочного члена к прин-
не существует, и отлична от нуля, если он все же ципу суперпозиции в классической СВЧ-области.
существует. (В случае двух щелей коррекционный Эти результаты, опубликованные в New Journal of
член прибавляется к некоторой величине, кото- Physics в июне 2018 г., уже привели к исправлени-
рая уже не равна нулю, и поэтому в таком случае ям в некоторых учебниках и влияют на наше по-
он не проявляется заметным образом.) нимание основ физики. Возможно, они повлияют
также на результаты работ, проводимых в насто-
Я занималась трехщелевыми эксперимента- ящее время в астрономии и астрофизике по изу-
ми в течение более десяти лет. В 2010 г. мы с кол- чению сигналов из ранней Вселенной. В этих ис-
легами опубликовали первые результаты в статье следованиях часто используются массивы ради-
в журнале Science. В 2014 г. я начала со своей науч- оантенн, разбросанных по всей Земле. Обычно
ной группой новую серию наших трехщелевых экс- данные, полученные разными антеннами, сум-
периментов с СВЧ‑волнами в Гаурибиданурской мируются. Однако теперь, когда мы знаем, что ре-
радиообсерватории в индийском штате Карната-
ка. Мы проводили эксперимент на открытой пло- B квантовом мире
щадке в палатке рядом с полями пшеницы. Хотя выключатель может быть
такая окружающая обстановка, возможно, пока- одновременно и включен,
жется странной для проведения высокоточного и выключен. В кубите мы
физического эксперимента, пшеница служила хо- определяем состояние
рошим поглотителем паразитного СВЧ‑излучения, с конечной вероятностью
которое могло бы повлиять на наши измерения. находиться в состоянии
Помогло также то, что у нас на площадке не было «включен» и «выключен»
стен или громоздкого оборудования, которые мог- одновременно. Эта
ли бы отражать радиоволны. Более того, в нашей комбинация обоих
глуши почти не было сотовой связи — еще одно состояний с определенной
обстоятельство, помогшее избежать нежелатель- вероятностью каждого
ных помех, — и мы могли проводить эксперимент из них и есть суть
в очень большом масштабе. суперпозиции

В нашей схеме использовались две рупорные ан- шение волнового уравнения — это не просто сум-
тенны: одна излучавшая фотоны СВЧ‑излучения ма отдельных решений, некоторые вычисления,
и одна принимавшая их. Между ними располага- возможно, потребуют уточнения с корректным
лась плита с тремя щелями шириной 10 см каж- параметром Соркина. Наши результаты в конеч-
дая, разнесенными друг от друга на 13 см. Стро- ном итоге могут помочь ученым разработать улуч-
го придерживаясь стиля первых щелевых экспе- шенные модели оценки ошибок при таких наблю­
риментов, мы водрузили детектор на рельс таким дениях.
образом, чтобы его можно было перемещать для
измерения различных интерференционных кар- Квантовые кутриты
тин, меняя положение детектора. Мы обнаружили,
что полученная нами интерференционная карти- Наш эксперимент интересен не только с тео-
на не соответствует приближенному решению вол- ретической точки зрения, но, возможно, также
нового уравнения, полученного сложением A + B, и с практической. Мы надеемся использовать
а соответствует решению, включающему ненуле- наш трехщелевой процесс, чтобы помочь в раз-
вой параметр Соркина. Мы также использовали работке новых инструментов для квантовых вы-
материал, блокирующий излучение, чтобы засло- числений.
нить пространство между щелями, существенно
прекратив перемещение фотонов между щелями В квантовых компьютерах квантовые законы,
и взаимодействие с соседними щелями. Когда мы такие как суперпозиция, используются, чтобы
это делали, мы увидели, что величина параметра получить возможность производить вычисления
Соркина меняется с размером блокирующего эле- намного быстрее, чем с помощью классических
мента, — показатель того, что этот параметр дей-
ствительно служит индикатором взаимодействия
между щелями и что он меняется в зависимости
от степени взаимодействия. Это открытие позво-
лило сделать вывод, что корреляционный член, ко-
торый мы измерили, — не систематическая ошиб-
ка нашего эксперимента, которую мы не сумели
выявить, а действительно именно то, что мы и ис-
кали.

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 51

Физика

м­ ашин. Рассмотрим традиционный компьютер- Но чтобы достичь этой цели, нам необходимо до-
ный бит, как если бы он был выключателем све- статочно большое число кубитов — заведомо боль-
та: он может быть в положении «включен» или ше, чем лишь два. Число кубитов, которого пыта-
«выключен» (соответствовать значениям «1» или ются достичь многие из работающих в настоящее
«0» в двоичном коде). Однако в квантовом мире время в этой области, — 50, что открывает множе-
выключатель не обязательно должен быть вклю- ство интересных возможностей для квантовых ал-
чен или выключен: он может быть одновременно горитмов. В случае 50 кубитов мы имеем 250 воз-
и включен, и выключен. В кубите мы определяем можных состояний для квантовых операций. Не-
состояние с конечной вероятностью находиться давно компания Google объявила, что достигла
в состоянии «включен» и «выключен» одновремен- этого рубежа, сумев успешно реализовать рас-
но. Эта комбинация обоих состояний с определен- чет случайной выборки на 54-кубитовом кванто-
ной вероятностью каждого из них и есть суть су- вом процессоре. Однако получение большого чис-
перпозиции. ла кубитов на словах гораздо легче, чем на деле.
Чем больше кубитов мы объединяем, тем больше
Кутрит, который мы шансов, что они утратят свою особую квантовую
создали, еще очень далек способность создавать суперпозицию, снова пре-
от того, что требуется вратившись в нормальные классические биты.
для функционального Это происходит, когда кубиты взаимодействуют
квантового компьютера. с внешней средой и теряют когерентность. По мере
Нам необходимо будет того как мы пытаемся добавить дополнительные
воспользоваться нашей кубиты в когерентное состояние суперпозиции,
системой щелей, становится все труднее поддерживать это состо-
чтобы сгенерировать яние достаточно долго. Это все равно что собрать
множество кутритов, людей в комнату на вечеринку. Если у вас десять
а затем направить их человек находятся в помещении площадью около
в устройство с вентильной 9 м2, им достаточно места, чтобы они пребывали
архитектурой, которое там, не нарушая пространства друг друга. Если
умеет использовать мы увеличим количество людей до 30, начнет-
кутриты для организации ся давка, которая, как обычно, приведет к утрате
вычислений мира и спокойствия. Аналогичная ситуация соз-
дается в случае с кубитами.
Два состояния, образующих состояние суперпо-
зиции, называются базисными. Обычный кубит Одна из альтернатив обычной стратегии — уве-
имеет два базисных состояния, а для n кубитов мы личить размерность каждого квантового бита,
имеем 2n возможных состояний. Таким образом, а не пытаться засунуть большее количество куби-
в случае двух кубитов существует 22 = 4 возмож- тов в то же пространство. Чтобы разобраться, по-
ных состояний. В то время как для n классических чему это помогает, давайте обратимся к элемен-
битов имеет место единственное из 2n состояний, тарной математической задачке.
в случае n квантовых битов все 2n возможностей
могут сосуществовать. Мощь квантовых вычис- Сколько будет 23?
лений возникает в результате хитроумным обра- Ответ, конечно, 8 (2 × 2 × 2 = 8).
зом разработанного квантового алгоритма, ко-
торый способен использовать состояние супер- А сколько будет 32?
позиции в процессе вычисления и выполнять В этом случае ответ 9 (3 × 3 = 9).
определенный класс операций с экспоненциально
более высокой скоростью, нежели классический Эти результаты одного порядка величины, они
ком­пьютер. очень близки. Таким образом, если бы мы вме-
сто трех кубит воспользовались двумя кутрита-
ми, то есть трехмерными квантовыми битами, мы
получили бы аналогичное число возможных со-
стояний. Поэтому вместо того чтобы наращивать
показатель, почему бы не попытаться изменить
основание? Если мы увеличим число базисных со-
стояний, нам потребуется меньшее число бит, что-
бы достичь той же цели. Именно понимание этого
факта определяет исследование квантовых систем
большей размерности.

Наша стратегия имеет и еще одно преимуще-
ство: мы больше не привязаны к двоичному коду.

52 В мире науkи | [03] март 2020

Физика

Рассмотрим исход футбольного матча. Обычно мы измеряем один из фотонов, используя однофотон-
ожидаем одного из двух исходов, победы или пора- ный детектор, и это измерение возвещает о суще-
жения, которые можно представить, используя два ствовании другого фотона, поскольку мы знаем,
состояния, поэтому в квантовом мире достаточно что они родились одновременно. Теперь мы можем
кубита. Но если мы добавим еще два возможных использовать второй фотон для экспериментов.
исхода матча — скажем, отмена и ничья, — то од-
ного кубита недостаточно, чтобы объявить резуль- В ходе работы нашей группы мы варьировали
таты, необходимы два кубита. Такая система будет характеристики материнского фотона, чтобы убе-
«куквадом». диться, что дочерние фотоны наследуют его ха-
рактеристики. Материнский фотон направляет-
Квантовые системы более высокого порядка, или ся на три щели, и его пространственный профиль
системы кудитов, могут упаковать больше инфор- теперь соответствует трехщелевому профилю. До-
мации в меньшее число систем. Как было теоре- черние фотоны, в свою очередь, несут этот про-
тически доказано, этот выигрыш дает квантовым филь дальше. Фотон переходит в состояние супер-
компьютерам преимущество при решении опреде- позиции, которое дает нам кутрит «с простран-
ленных задач — а именно, при разработке неуяз- ственным интервалом», три базисных состояния
вимых для хакерских атак коммуникаций, исполь- которого — положения трех щелей.
зующих так называемое квантовое распределение
ключей. Суть метода в том, что две стороны соз- Однако кутрит, который мы создали, еще очень
дают общий секретный ключ, который могут ис- далек от того, что требуется для функционально-
пользовать для декодирования сообщений толь- го квантового компьютера. Нам необходимо бу-
ко они. Если вы увеличите размерность ваших дет воспользоваться нашей системой щелей, что-
квантовых бит, увеличив число базисных состоя- бы сгенерировать множество кутритов, а затем
ний, в результате получится ключ, который более направить их в устройство с вентильной архитек-
устойчив к определенному роду атак. Помимо воз- турой, которое умеет использовать кутриты для
можности более высокой степени секретности, ку- организации вычислений. Эта область находит-
диты обещают также и б льшую степень случай- ся в центре исследований моей группы. Наша за-
ности при генерировании случайных чисел — еще дача — разработать специальные оптические эле-
одна долгожданная сфера применения квантовых менты, необходимые для выполнения этой опера-
компьютеров. ции, а затем миниатюризировать, чтобы можно
было полностью определить схему рабочей ком-
Несмотря на все эти достоинства, системы, ос- пьютерной системы.
нованные на кудитах, имеют ряд недостатков.
На практике очень трудно придумать стабильные По этой причине тройные щели представляют
физические системы, в которых все базисные со- собой инь и ян физических исследований — как
стояния достигаются одинаково легко. Например, фундаментальных, так и прикладных. Наше ис-
иногда система может быть смещена в сторону са- следование принципа суперпозиции и впервые из-
мой низкой энергии, или основного состояния, меренный его коррекционный член раскрывают
и на результаты вычислений может накладывать- фундаментальные концепции физики. Меж тем
ся отпечаток этого смещения. Второе препятствие трехщелевые кудиты представляют собой техноло-
заключается в том, что это направление исследо- гический трюк в продвижении вперед, к многомер-
ваний возникло позднее кубитов, поэтому для ку- ным квантовым вычислениям и квантовым лини-
дитов было разработано меньше алгоритмов и ин- ям связи. Самый известный из физических экспе-
струментов. Хотя предстоит еще много труда, чис- риментов, как оказалось, подпитывает новые идеи
ло нерешенных проблем делает исследования и рисует радужные перспективы.
в этой области интересными и потенциально пло-
дотворными. Перевод: А.П. Кузнецов

На пути к квантовому компьютеру ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Так как же нам перейти от нашего базисного трех- Ruling Out Multi-Order Interference in Quantum Mechanics. Ur-
щелевого эксперимента к работающим кутритным basi Sinha et al. in Science, Vol. 329, pages 418–421; July 23, 2010.
системам? Первый шаг — научиться генерировать
отдельные фотоны. Measuring the Deviation from the Superposition Principle in In-
terference Experiments. G. Rengaraj et al. in New Journal of Physics,
Мы начинаем с очень мощного лазерного пуч- Vol. 20, Article No. 063049; June 2018.
ка, которым освещаем особый кристалличе-
ский материал. При определенных условиях один
из 108– 1010 фотонов расщепляется на два фотона
меньшей энергии в результате процесса, называ-
емого спонтанным параметрическим рассеянием.
Дочерние фотоны всегда рождаются парами. Мы

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 53

Цифровая экономика

54 В мире науkи | [03] март 2020

Цифровая экономика

х ЖоалрчоидснлыхЦИФРОВАЯ ЭКОНОМИКА
Человечество вступило в новую эру
цифровой экономики. О стратегии
цифрового лидерства и о том, как большие
становятся быстрыми, нам рассказала
профессор экономического факультета
МГУ, доктор экономических наук Лариса
Владимировна Лапидус.

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 55

Цифровая экономика

— Лариса Владимировна, вы выступали с темой
«Стратегии цифрового лидерства: как большие
становятся быстрыми?» в Сколкове, проводи-
ли мастер-класс в Высшей школе экономики,
на Ломоносовских чтениях в МГУ анализиро-
вали стратегии цифрового лидерства на эволю-
ционной шкале цифровой экономики. Не могли
бы вы вкратце рассказать о том, как наши рос-
сийские компании могут стать быстрыми? Воз-
можно ли это в принципе?

— Да, эта тема сейчас одна из самых востребо-
ванных. На самом деле не все так просто, как ка-
жется. Если взять бизнес, существует мнение, что
в нем крупная компания, эдакая большая рыба,
поедает маленькую.

— А разве не так? Всегда так было.
— Так было всегда до цифровой экономики. Это
был своего рода императив. Если на улицу прихо-
дил крупный супермаркет, маленькие магазины
вокруг автоматически дрейфовали к банкротству.
Однако несколько лет назад основатель и бессмен-
ный президент Всемирного экономического фору-
ма Клаус Шваб сказал: «В новом мире не большие
съедают маленьких, а быстрые съедают медлен-
ных», с чем можно согласиться частично.

БИЗНЕС НЕТРАДИЦИОННОЙ ОРИЕНТАЦИИ Доктор экономических наук Л.В. Лапидус

— Что такое большие или маленькие компании, обеспечено только путем выхода на новые рынки
можно понять, но как поделить их на быстрые с уникальным цифровым продуктом, где ему еще
и медленные? есть куда расти. Сегодня всеобщая ориентация
на обоснованную цифровую трансформацию при-
— Под медленными раньше чаще всего понима- ведет, и даже уже приводит, к тому, что такие ин-
ли традиционные компании — офлайновый биз- новационные и быстрые стартапы будут все силь-
нес. В цифровой экономике до 2015–2017 гг., до того нее тяготеть к большим традиционным компани-
как всех охватила «цифровая лихорадка», малень- ям. При адекватной оценке цифровой среды малый
кие могли расти очень быстро, но даже когда они бизнес уже сегодня понимает, что в одиночку ему
уже сами становились большими, и тогда никого ничего не сделать.
не съедали. Они меняли конкурентный ландшафт
и мешали большим традиционным компаниям на- — То есть будущее за традиционными компа-
слаждаться своим лидерством, чем заставляли их ниями?
относиться к себе с б льшим уважением. При этом
традиционные гиганты никуда с рынка не уходи- — За большими традиционными компания-
ли. Кстати, та цитата Шваба породила много ми- ми, которые уже запустили системную цифровую
фов, вот один из них: «Стартапы очень быстрые, трансформацию, создали центры по развитию
за ними будущее, они убьют большие компании». цифровых компетенций и разработке новых техно-
С некоторого времени это мнение можно считать логий и движутся в сторону образования мощных
ошибочным. цифровых экосистем. Они и займут в будущем ли-
дерские позиции на новых рынках. На эти же ме-
— Почему? Большие корпорации съедают ста будут претендовать и успешные российские
мелкие, быстрые — медленных... онлайн-компании, которые осуществляют экспан-
сию на рынки искусственного интеллекта. У них
— По отношению к бизнесу эту мысль Шваба я бы одна цель — стать большими и быстрыми.
развила так: «Большие, используя цифровые стра-
тегии, становятся быстрыми». В реалиях цифро- — С медленными разобрались, а какую компа-
вой экономики сегодня уже недостаточно быть бы- нию можно считать быстрой?
стрым инновационным стартапом. Он все равно
проиграет в схватке с большой традиционной или — Это компания, способная быстро реагиро-
онлайновой компанией, которая запускает циф- вать на изменяющиеся условия ведения бизнеса,
ровую трансформацию. В ближайшие годы ли- накапливать компетенции в области ­разработки
дерское будущее для малого бизнеса может быть

56 В мире науkи | [03] март 2020

Цифровая экономика

и в­ недрения цифровых технологий, создавать мно- в­ сего 24 года. А ведь его основатель Джефф Безос
госторонние платформы, выходить за «титульный» начинал свой бизнес в 1994 г. за самодельным сто-
бизнес в целях усиления устойчивости компании лом, сколоченным из старой двери. Сегодня все эти
в цифровой турбулентной среде. Доминирова- компании — большие и быстрые, причем настоль-
ние большой компании обеспечит быстрая реак- ко, что они уже лидеры на некоторых мировых
ция на проникновение новых технологий в модели рынках и вряд ли отдадут кому-то свои позиции.
производства, распределения, обмена и потребле-
ния, а также извлечение из цифровых технологий — В конце XIX в. Джону Рокфеллеру для того,
выгод, приводящих к качественным сдвигам в эф- чтобы стать первым в истории человечества
фективности. миллиардером, тоже понадобилось 24 года.

— Что же тогда остается малому бизнесу? — Правильно, потому что тогда драйверами ро-
— Малый бизнес будет хорошо развиваться ста экономики были энергоносители, нефть. Сей-
на смежных рынках, например обслуживать ос- час же мы стоим на пороге четвертой промышлен-
новные бизнес-процессы больших, сотрудничать ной революции, а в цифровой экономике главный
с ними при решении их отдельных отраслевых драйвер — цифровые технологии, технологии ис-
проблем. Сегодня уже ясно, что большие компании кусственного интеллекта, достижение сетевых эф-
при бурном цифровом развитии не всегда успева- фектов за счет возможностей интернета. И компа-
ют справляться с пиковыми нагрузками собствен- нии, которые работают в этом направлении, часто
ными силами. Большие российские традиционные достигают невиданных до того результатов. Са-
и онлайновые компании будут тяготеть к постро- мый красноречивый пример — YouTube, которому
ению экосистем, в которых будет много места для на то, чтобы дойти до капитализации в $1,65 млрд,
инновационного бизнеса, способствующего дости- потребовалось всего девять месяцев, в то время как
жению положительных синергетических эффек- раньше у традиционных компаний путь до милли-
тов для больших и быстрых партнеров. арда занимал более 20 лет. Можно с уверенностью
— Хороший вариант — продать свой малый сказать, что происходящие на протяжении послед-
бизнес большой компании. них трех десятилетий изменения, связанные с эво-
— Если вспомнить историю Google, то каждый люцией цифровых технологий, приводили к транс-
сотрудник мечтал создать новый сервис, который формациям, наступление которых мало кто мог
он мог позже продать своей корпорации за милли- спрогнозировать.
оны долларов. Сегодня малые компании не могут
доминировать на рынках, требующих серьезных — Ну да, сколько в детстве читал фантасти-
капиталов и инвестиций в разработки и исследо- ки — и не помню, чтобы кто-то предсказал, как
вания. И в одиночку они не смогут противостоять может изменить нашу жизнь обычный карман-
большим при вызовах цифровой экономики. В на- ный телефон...
шей стране мы как-то быстро перескочили фазу,
когда это было возможно. Все изменилось, и теперь — Цифровая экономика фактически достиг-
всех победят большие и быстрые. ла своего апогея в 2017 г. Именно в 2015–2017 гг.
страны приняли в этом направлении больше все-
БОЛЬШЕ, БЫСТРЕЕ, ДОРОЖЕ го программ, государственных стратегий, иници-
атив «Индустрия 4.0». Именно тогда во всем мире
— Все в их руках? в массовом порядке начали тиражироваться цен-
— Да. Обратите внимание, в 2016 г. первые три тры цифровых компетенций: кремниевые доли-
ны, парки высоких технологий, регулятивные пе-
строчки в мировом рейтинге по капитализации сочницы. И все же главный старт был дан в 1990 г.,
занимали компании с цифровыми стратегиями, когда для жителей нашей планеты был открыт до-
а уже в 2017 г. они заняли пять первых мест. Это ступ к интернету.
Apple, Google, Microsoft, Amazon и Facebook. При
этом старшей из них, Microsoft, к тому времени ГОНКИ ЗА ЛИДЕРОМ
едва исполнилось 40 лет, а младшей, Facebook, —
только 13. Общая капитализация «потрясаю- — Это был настоящий прорыв. Кстати, тоже
щей пятерки» тогда оценивалась в $3,3 трлн. Бо- фантастами упущенный.
лее того, не стоит забывать, что почти все эти ком-
пании становились драйверами новых рынков — С тех пор цифровая экономика прошла не-
в цифровой экономике. сколько стадий развития. И, кстати, ответ на во-
прос, как нашим российским компаниям стать
Следующий факт: в 2018 г. Amazon и Apple до- большими и быстрыми, хорошо иллюстрирует
стигли капитализации в $1 трлн каждая. Ника- анализ стратегий цифрового лидерства на эволю-
кие другие компании в мире ни до, ни после столь- ционной шкале цифровой экономики. Мой метод
ко не стоили и не стоят. Сервису Amazon для того, корреляционных зависимостей в цифровой тур-
чтобы добраться до триллиона, понадобилось булентной среде позволил сделать вывод: то, что
определяло лидерство на каждом этапе развития
цифровой экономики, работает до сих пор. В этом

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 57

Цифровая экономика

уникальность и в то же время сложность цифро- Skype... Это дало импульс для развития новых
вой среды! У того, кто был первым, было больше рынков электронных услуг. Электронный бизнес
шансов победить, потому что практически не было получил новую жизнь. В то время уже стало понят-
конкурентов. но, что нужно искать новые цифровые продукты
для решения проблем людей, компаний. У инве-
— Давайте пройдем по этим этапам. сторов постепенно возрождался интерес к интер-
— Давайте сперва посмотрим на стратегии циф- нет-бизнесу, раздавленный кризисом доткомов.
рового лидерства через призму эволюции цифро- Начали расти рынки электронной коммерции, ин-
вой экономики. Для начала определимся, что мы тернет-торговли, электронных библиотек. Amazon
под этим понимаем. из обычного виртуального книжного магазина
По моему мнению, стратегии цифрового лидер- превратился в полноценный маркетплейс. Бурно
ства — это стратегии, которые позволяют компа- развивался рынок рекламы, что приводило к уси-
ниям сохранять устойчивость и повышать конку- лению положения поисковых систем.
рентоспособность в цифровой турбулентной сре-
де. Как показал анализ, такие стратегии приводят — Они до сих пор прекрасно живут и зараба-
компанию к долгосрочному лидерству и доминиро- тывают в основном за счет продажи контекст-
ванию на новых рынках — цифровых продуктов, ной рекламы.
электронных услуг, технологий «Индустрии 4.0».
Важный момент: стратегии цифрового лидерства — Но уже в 2000–2005 гг. цифровое лидерство
присущи как компаниям, которые полностью ве- определялось новыми бизнес-моделями — постро-
дут бизнес в интернете, так и традиционным ком- ением многосторонних платформ, маркетплейсов,
паниям. виртуальных бирж в сегменте В2В. Интернет как
— Начнем с первого этапа. новый канал для осуществления обмена товарами,
— Начиная с 1990 г. цифровая экономика про- услугами и сервисами начал набирать новые обо-
шла несколько стадий развития. Первая — ста- роты. Конечно, в то время еще мало кто верил в ра-
новление цифровой экономики, это 1990–2005 гг. боту без посредников, дилеров, дистрибьюторов.
В ней можно выделить две фазы: бум доткомов Это произошло позже. Сокращение горизонталь-
(1990–2000) и развитие новых рынков электрон- ных цепочек создания стоимости — наша реаль-
ных услуг, электронного бизнеса и электронной ность, порождение цифровой экономики.
коммерции (2000–2005).
С 1990 по 2000 г. происходило формирование В 2005–2010 гг. продолжался рост новых ин-
бизнеса в интернете. Тогда появились сегодняш- тернет-рынков и смежных рынков. Цифровое ли-
ние интернет-гиганты — Amazon, Alibaba, Google, дерство определялось выстраиванием успешных
Yandex... И тот факт, что они смогли пережить кри- каналов коммуникаций в интернете. Переход
зис доткомов, можно считать результатом страте- на омниканальность, к фулфилменту и новым биз-
гии цифрового лидерства. То есть драйвером циф- нес-моделям В2В2С очень быстро стал признаком
рового лидерства в то время выступало форми- успеха. Не стоит забывать, что уже к тому времени
рование новых бизнес-моделей и выход на новые взращиванию цифровых лидеров способствовали
интернет-рынки — ведение бизнеса онлайн. происходящие сдвиги в потребительском поведе-
— Так это же был пузырь! нии. К 2010 г. наступила эпоха агрегаторов и ше-
— Совершенно верно, пузырь доткомов, который ринг-экономики.
начал резко сдуваться в марте 2000 г., и к концу
2001 г. было признано, что он лопнул. До 2000 г. ак- Шеринг — это обмен, совместное пользование.
ции интернет-компаний взлетали в цене без объ- В экономике этим термином определяется биз-
яснения причин всего происходящего. Очень по- нес-модель, когда с помощью специальных тех-
хоже на то, что было недавно с криптовалютами. нологий и онлайн-платформ люди могут обмени-
ваться активами, которые они не используют или
ПРОДАЙ ТО, НЕ ЗНАЮ ЧТО недоиспользуют. Можно обмениваться навыка-
ми. Первый шеринговый сервис ZipCar был запу-
— То есть цифровое лидерство определяется ве- щен в 2000 г. Тогда к нему никто серьезно не отно-
дением бизнеса в интернете? сился. Знаковой датой для шеринговой экономики
стал 2006 г., когда француз Фредерик Маззелла за-
— Определялось в тот период. Мы пока говорим пустил онлайн-сервис поиска автомобильных по-
об этапе становления цифровой экономики. Вто- путчиков BlaBlaCar. Чуть позже, в 2008 г., шустрые
рой фазой стал период развития новых рынков молодые дизайнеры из Сан-Франциско Брай-
электронных услуг, электронного бизнеса и элек- ан Чески, Джо Геббиа и Нейтан Блечарзик в сво-
тронной коммерции, продолжавшийся до 2005 г. ей съемной квартире догадались сдавать за день-
ги надувные матрасы участникам конференции
В этот период важнейшую роль сыграли новые по промышленному дизайну. Для этого они бы-
технологии wiki, VoIP, социальные сети. Благо- стро разработали сайт Airbedandbreakfast. com
даря им появились Wikipedia, YouTube, Facebook, («воздушная кровать и завтрак»), или airbnb.com.
Сегодня это ведущая мировая площадка для

58 В мире науkи | [03] март 2020

Цифровая экономика

в мире достигло 7 529 млрд и пре-

высило численность населения

мира (7 357 млрд). Время выхода

в интернет с мобильных устройств

во многих странах превысило 50%.

Распространение мобильного ин-

тернета в России на конец 2015 г.

оценивалось в 64%. Взрывной рост

рынка смартфонов наблюдался

с 2009 г. вплоть до 2016 г., а жизнен-

ный цикл инновационных моделей

смартфонов при этом сократился

до пяти-шести месяцев.

— iPhone и смартфоны других

производителей, набиравшие по-

пулярность в то время, способ-

ствовали созданию новых рын-

ков: мобильных приложений, мо-

В недрах этих серверов — целая дополненная жизнь. Виртуальные ­фабрики бильных игр, мессенджеров и т.д.
производят реальные продукты, виртуальные магазины продают ­реальные — Сегодня мы все знаем, что наи-
товары, виртуальные банки выдают реальные кредиты, виртуальная
­реклама заманивает реального потребителя... более популярные магазины прило-
жений — это Apple App Store и Google
Play. Я много раз летала в Токио

к­ раткосрочной аренды частного жилья и не толь- и все время удивлялась, насколько у них был попу-

ко. Ее стоимость превышает $30 млрд, а годовая лярен национальный мессенджер LINE, созданный

прибыль приближается к миллиарду. всего в 2010 г., — настоящая коммуникационная

— Миллиард на том, чего не имеешь? Вот это платформа. Уже тогда она позволяла им общать-

стратегии цифрового лидерства! ся на любом языке через внутреннего переводчи-

— Представляете? Тогда же, в 2009 г., появился ка. По мере роста количества сообщений, отправ-

Uber. Но в целом до 2010 г., хотя наиболее значи- ленных через мессенджеры, во всем мире сокра-

мые трансформации наблюдались именно во Все- щалось количество переданных СМС‑сообщений.

мирной паутине, понятие «электронный бизнес» Снимая об этом в Японии видеоролик, я делала

было почти исключительно сетевым. Он жил сво- прогноз, что скоро мессенджеры из потребителей

ей жизнью, традиционные компании на него поч- интернет-трафика превратятся в конкурентов со-

ти не обращали внимание. Они его недооцени- товых операторов.

вали и выходить в интернет не торопились. Хотя — Первый мессенджер, ICQ, появился значи-

можно вспомнить, как в начале 2000-х гг. крупные тельно раньше — еще в конце прошлого века.

авто- и авиапроизводители создавали электрон- — Не имеет особого значения, когда он появил-

ные биржи для сокращения расходов на закупки. ся, важно, когда взлетел рынок. Когда мы видим

Но в остальном разговоры о ведении электронной бурный интерес потребителя, его готовность все

коммерции часто вызывали ироничную улыбку. чаще и чаще потреблять новые продукты/услу-

Позже стало очевидным, что Китай еще в 2005 г. ги, именно это приводит к массовым изменениям,

видел новые драйверы конкурентоспособности тогда можно говорить о существенных сдвигах —

и в те далекие годы вывел задачу развития элек- зрелости. Онлайн-поведение «в один клик» привело

тронной коммерции в целях стимулирования про- к значительному сдвигу в моделях распределения

мышленного производства! и потребления, к переходу «цифровой экономики»

— Мелкие вещи в интернете уже можно на новую стадию: от роста к зрелости.

было купить. Первый свой смартфон я купил — Количество цифровых технологий перешло

в 2006 г. на сайте eBay. Уже тогда на нем рабо- в качество рынков и бизнес-моделей, что и по-

тала своя платежная система PayPal. родило новых лидеров?

— По-настоящему революционным стал 2007 г., — Именно. В период с 2010 по 2015 г. началось

когда Apple вывел на рынок первый iPhone. Смарт- массовое встраивание онлайн-каналов и проник-

фоны были и до того, это вы правильно сказали, новение цифровых технологий в бизнес-модели

HTC выпустил свой первый телефон-миником- традиционных компаний. К этому времени мно-

пьютер с сенсорным экраном на операционной си- гие традиционные компании поняли, что с помо-

стеме Windows CE еще в 1998 г. Но именно iPhone щью цифровых технологий можно выдавливать

стал драйвером мобильной экономики. По состоя- посредников и напрямую взаимодействовать с по-

нию на август 2015 г. число мобильных устройств требителями, при этом еще и накапливая ­данные

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 59

Цифровая экономика

об их поведении. И с этим тоже было связано циф- б­ изнес-моделей с использованием новых каналов
ровое лидерство. Те компании, которые сумели это коммуникаций. Крупные традиционные компа-
распознать раньше других, смогли надолго обо- нии открывают собственные интернет-магази-
гнать тех, кто до сих пор недооценивает значение ны, строят интегрированные торговые платфор-
данных, в первую очередь в маркетинговых це- мы. Мне кажется, уже все оценили удобство бы-
лях, конкуренции за потребителей. Компании-ли- строго онлайн-банкинга, мгновенных переводов,
деры Google, Amazon, Apple выходили на рынок ис- электронных билетов, которые не боишься забыть
кусственного интеллекта. Amazon, Microsoft, IBM дома, покупок в интернет-магазинах без потери
к этому времени уже занимали ведущие позиции времени на походы в офлайновые магазины.
на рынке облачных технологий, хранения и обра-
ботки больших данных. Сегодня мы видим, как — Но все это — до 2015 г. А что стало после?
это важно для достижения лидерства. По данным — Этап эволюции цифровой экономики, который
McKinsey, рекомендательные системы приносят начался в 2015 г. и продолжается до сих пор, я на-
Amazon 35%, а Netflix — 75% выручки. зываю цифровой лихорадкой. Его главные призна-
ки — хаотичное перестраивание бизнес-процес-
— Следовательно, чтобы стать лидером, необ- сов и трансформация бизнес-моделей под воздей-
ходимо выходить за рамки «титульного» бизне- ствием технологий «Индустрии 4.0». Ее «симптомы»
са? еще больше обострились после того, как бизнес
и страны поняли, что в цифровой трансформа-
— В том числе на рынок искусственного интел- ции в ответ на новый технологический сдвиг кро-
лекта. Все это определяло и будет определять тра- ются драйверы конкурентоспособности. В период
екторию цифровой трансформации и построения с 2015 по 2017 г. правительства самых разных го-
новых бизнес-моделей. Повторюсь, что на всех сударств разработали и приняли наибольшее ко-
стадиях развития цифровой экономики традици- личество программ по цифровой трансформации.
онные компании, которым угрожали новые рын- — Весь мир лихорадит. Как у Александра Бло-
ки, вынуждены были сами выходить на них. Так, ка: «жар холодных числ».
Microsoft вышел на рынок дата-центров, Volkswagen — И это очень хорошо. Стратегии цифрового ли-
и Mercedes-Benz — на рынок шеринговых сервисов, дерства сегодня опираются на новые возможности
а Ford — на рынок дронов. Уверена, что в ближай- технологий «Индустрии 4.0». К ним относят разные
шее годы и российские традиционные компании, классы искусственного интеллекта, роботизиро-
запустив цифровую трансформацию, покажут ванные системы, технологии виртуальной и до-
нам, как первыми формировать новые рынки. полненной реальности, распределенные реестры
и др. Компании выходят на новые рынки, создают
СВОИ СРЕДИ ЧУЖИХ центры компетенций, разрабатывают технологии
для оптимизации внутренних бизнес-процессов
— Цифровая трансформация становится одним и идут с ними на внешние рынки. В этом залог их
из приемов в конкурентной борьбе? цифрового лидерства.
— И что на этом этапе становится драйвером
— Не просто «одним из», а основным. Если пол- конкурентоспособности? Интернет вещей?
столетия назад конкурентоспособность бизнеса — Последние 15–20 лет изобиловали появлени-
зависела в первую очередь от уникальных активов ем новых драйверов. Драйверов много, а ресурсов,
и ресурсов, в 1980-е гг. — от корпоративной культу- как всегда, не хватает. Компаниям сегодня как
ры, то сегодня, в эпоху цифровой экономики, драй- никогда сложно выбрать, на чем сосредоточить
вер конкурентоспособности сместился в сторону усилия. Технологии «Индустрии 4.0», в том чис-
потребительского опыта, новых бизнес-моделей ле и интернет вещей, входят в их число. Для каж-
и взаимосвязей бизнес-моделей и стратегий циф- дой отрасли можно выделить свои приоритетные
ровой трансформации. В настоящее время особое и перспективные технологии, в которых кроются
значение приобретает построение экосистем, плат- наиболее существенные эффекты. Что же касается
форм с сообществами разработчиков, производи- интернета вещей, то в 2014 г. число выходов в ин-
телей, потенциальных и реальных потребителей. тернет различных устройств превысило число вы-
Капитализация компаний стала напрямую зави- ходов в Сеть людей.
сеть от количества интернет-подписчиков, пользо- — Вещи обретают самостоятельность.
вателей, участников сообществ. Потребитель стал — Интернет вещей, IoT, включая промышлен-
неотъемлемой частью мобильной экономики, ше- ный интернет вещей, сначала не был так востре-
ринговой экономики, научился жить онлайн. бован, потому что были проблемы с инфраструк-
турой, энергопотреблением — питанием датчиков.
— И это ему понравилось. Немецкая инициатива «Индустрия 4.0» была раз-
— Конечно, но особенно молодежи. Традицион- работана только под эту технологию и ориентиро-
ные компании сегодня осознают важность онлай- вана на ее внедрение в промышленности. Это был
новых коммуникаций, они понимают, что если
не будут в тренде, то завтра начнут терять по-
требителя. Поэтому начинается выстраивание

60 В мире науkи | [03] март 2020

Цифровая экономика

2011 г. С­ егодня цифровая лихорадка во многом опи- — Сколько же нас так будет лихорадить?
рается на поиск эффективных решений на осно- — Не стоит беспокоиться, эта лихорадка — не се-
ве интернета вещей. И все же пока мы можем чаще рьезная болезнь и не временное наваждение. Чет-
видеть точечные стратегические решения и запуск вертый этап развития цифровой экономики уже
пилотных проектов. Так, «Российские железные до- совсем скоро все расставит на свои места. Если го-
роги» достигли заметных успехов в использовании ворить о сроках, то вы же понимаете, что эта пе-
интернета вещей. Приведу только одну цифру: 75% риодизация достаточно условна. Думаю, перехо-
развернутой длины главных путей сети РЖД осна- да от этапа лихорадки к новому стоит ждать уже
щены датчиками измерения фактической темпера- в 2020 г. Лидерских позиций на рынках высоких
туры закрепления рельсов для автоматического мо- технологий достигнут те компании, которые бы-
ниторинга состояния бесстыкового пути. Интере- стрее других создадут центры компетенций и вый­
сен и мировой опыт. Сегодня поезда национального дут на новые рынки. Хорошие перспективы имеют
железнодорожного перевозчика Италии Trenitalia компании, руководители которых сумеют разгля-
оснащены датчиками, и в процессе осуществления деть перспективные трансформации задолго до их
перевозок пассажиров и грузов устройства нака- массового проявления. Сегодня бизнесу приходит-
пливают и передают их показания, а специалисты ся вести хозяйственную деятельность по прин-
оценивают состояние железнодорожного полотна ципу «Трансформируйся или уступи место бы-
и подвижного состава. Интересен опыт Гамбургско- строрастущим конкурентам и инновационно на-
го порта, когда IoT позволяет собирать и анализиро- строенным компаниям». Вместе с тем цифровая
вать данные о приходящих в порт грузовиках с по- турбулентная среда способствует ускорению про-
мощью датчиков. В результате за два года пропуск- цесса появления инноваций, которые обеспечат
ная способность порта увеличилась на 178%. компаниям конкурентное преимущество и доми-
нирование на новых рынках.
Лидерских позиций на рынках — И что нас ждет на новом этапе?
высоких технологий достигнут — Цифровых лидеров будет отличать запуск
те компании, которые быстрее системной цифровой трансформации, извлече-
других создадут центры ние ощутимого результата из накопленного опы-
компетенций и выйдут на новые та в разработке и внедрении технологий «Ин-
рынки, сумеют разглядеть дустрии 4.0». Этап системной цифровой транс-
перспективные трансформации формации ознаменует переход к обоснованной
задолго до их массового цифровизации с позиции системного подхода, ори-
проявления ентации на построение экосистем и качественным
системным сдвигам. Традиционные компании,
ЗАДАНИЕ НА БУДУЩЕЕ которые сегодня первыми запускают цифровую
трансформацию (для России это в первую очередь
— Борьбу за цифровое лидерство развернули го- «Росатом», «Ростех», РЖД, «Газпромнефть», «Сбер-
сударства. Для них цифровая экономика откры- банк»), будут все чаще смотреть в сторону новых
ла возможности повышения конкурентоспособно- рынков. Технологии, которые они сегодня разраба-
сти. Правительства начали все больше опираться тывают для себя, необходимо выводить на рынок,
на перспективные разработки в области искус- а в идеале — научиться экспортировать. Главной
ственного интеллекта, которые позволят сохра- задачей станет поиск путей тиражирования циф-
нять устойчивость экономики. В настоящее вре- ровых решений с целью снижения расходов и ми-
мя конкурентоспособность стран и их потенци- нимизации рисков.
ал экономического роста связаны не с ресурсами, — А что станет с теми компаниями, которые
а с технологическим развитием. Связь экономи- не пойдут по этому пути?
ческого роста и инновационной трансформации — Я уверена, что по пути цифровой трансфор-
экономики теоретически подтверждена лауреата- мации пройдут все, кто-то встанет на него рань-
ми Нобелевской премии по экономике за 1995 г. Ро- ше, кто-то позже. Платформенность, бесшовность,
бертом Лукасом и за 2018 г. Полом Ромером. развитие инновационного бизнеса, переход к моде-
ли «коопетишен» (coopetition, от англ. cooperation —
«кооперация» и competition — «конкуренция») — это
основа быстрых экосистем. Ключевая задача —
разработка стратегии цифровой трансформации
и непрерывное развитие нового стратегического
мышления на пути к экосистемам будущего.

Беседовал Валерий Чумаков

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 61

Медицина

62 В мире науkи | [03] март 2020

МЕДИЦИНА

ОБОЙТИСЬ
БЕЗ ОПИОИДОВ

Illustration by Brian Stauffer; Photographs by Grant Delin Семь с лишним миллионов больных, страдающих
от хронической боли, принимают опиоиды с риском
для жизни. Клиницисты и ученые пытаются найти
способы отказа от этих анальгетиков или уменьшить

их дозы без возобновления болей

Клаудиа Уоллис

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 63

Медицина

ОБ АВТОРЕ

Клаудиа Уоллис (Claudia Wallis) — журналист,
постоянный автор рубрики «Науки о здоровье»
в журнале Scientific American.

рупный мужчина Бретт Муччино с трудом втискивается в свой
старенький Ford Ranger. В 1986 г. в страшной автокатастрофе
он повредил позвоночник в области шеи и нижней части спины.
С тех пор вот уже 34 года он живет с хронической болью и при-
нимает опиоиды, которые эту боль заглушают.

В один из солнечных осенних дней Муччино, на- снизил дозу перед проведением неких процедур
дев шляпу и куртку, украшенные эмблемой со сло- на позвоночнике. В течение 48 часов после это-
вами «Ветеран вьетнамской войны», отправился го Муччино находился в реанимации, испытывая
в Уэст-Хейвенский медицинский центр по делам страшные мучения в связи с синдромом отмены —
ветеранов войны в штате Коннектикут. Он медлен- боль, судороги, невозможность принимать пищу.
но двигался по коридорам, слегка наклонившись Вернувшись к опиоидам, он вдобавок к прописан-
на одну сторону. Его мучил не только поврежден- ным препаратам принимал купленные на улице,
ный позвоночник. Во время войны Муччино под- так что в конце концов дошел до 320 мг оксиконти-
вергся действию дефолианта Agent Orange и зара- на в сутки. Периодически он пытался снизить дозу,
ботал диабет, что сказалось на его походке. Кроме и тогда боль возвращалась.
того, он страдал от хронической инфекции в об-
ласти искусственного коленного сустава. В уэст- К лету 2016 г. Муччино, пройдя весь этот пороч-
хейвенскую клинику Муччино попал в возрасте ный круг, был близок к полному истощению. После
68 лет, после того как перенес семь операций на по- финальной операции на позвоночнике наступило
звоночнике при все возрастающих дозах опиоидов некоторое облегчение, и он сказал своему лечащему
и курсах физиотерапии, которые не принесли ни- врачу: «Как бы мне хотелось избавиться от всего это-
какого облегчения. В 1990-х гг. его перевели с пер- го!» Момент был подходящим: несколько лет назад
коцета — препарата непродолжительного дей- центр по делам ветеранов открыл специализиро-
ствия — на новое пролонгированное обезболива- ванную клинику в часе езды от дома Муччино. Вра-
ющее оксиконтин в дозе 40 мг в сутки. В течение чи обучили его нескольким противоболевым упраж-
месяца дозу пришлось удвоить — только тогда на- нениям и снабдили лекарствами, которые не толь-
ступило облегчение. Но никто не сказал больно- ко уменьшали боль, но и контролировали синдром
му, что к препарату развивается привыкание. Он отмены. Так начался медленный, растянувшийся
столкнулся с этим, когда один из хирургов резко на несколько месяцев процесс снижения дозы окси-
контина, завершившийся полной его отменой.

Резкое ограничение числа рецеп- ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Методы включают психосоциаль-
тов, выписываемых на опиоиды, ста- ную поддержку пациентов при очень
ло катастрофой для миллионов людей Эксперты в области медицины, по- медленном снижении дозы.
с хронической болью. священной борьбе с этой патологией,
пытаются разработать безболезнен-
ные способы отказа от опиоидов.

64 В мире науkи | [03] март 2020

Медицина

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 65

Медицина

То, что произошло с Муччино, было ско- Когда обойтись без
рее исключением. Число смертей от ле- опиоидов не получается
гального и нелегального употребления
опиоидов выросло в США с 9489 в 2001 г. В то время как исследователи ищут способы избав-
до 47 600 в 2017 г.! В связи с этим в стра- ления пациентов с хронической болью от приема
не начался процесс повсеместного сни- высоких доз опиоидов, становится все более ясно,
жения числа прописываемых рецептов что не все хотят или могут это сделать. Центры
на сильные анальгетики. Работники си- по контролю и профилактике заболеваний недвус-
стемы здравоохранения, страховые ком- мысленно дают понять пациентам с хронической
пании и даже фармацевты стали рато- болью, связанной с онкологическими заболевани-
вать за резкое уменьшение количества от- ями или серповидно-клеточной анемией, что при
пускаемых препаратов. Эти ограничения приеме опиоидов нужно быть максимально осмо-
привели к увеличению числа страдающих трительными. Эксперты часто опасаются навредить
от хронической боли с 7 до 10 млн человек, пациентам, страдающим от такой сильной боли,
принимавших эти медикаменты при са- осознавая, что их жизнь висит на волоске. Андреа
мых разных состояниях — от фибромиал- Андерсон (Andrea Anderson), исполнительный ди-
гии до повреждения спинного мозга и ран, ректор Alliance for the Treatment of Intractable Pain,
полученных во время войны. Несмотря раз за разом рассказывает о людях, находящих-
на то что большинство случаев передози- ся в экстремальных условиях, — о мужчине, вы-
ровки были связаны с нелегальным прие- жившем после 20-минутного воздействия сильного
мом препаратов (в первую очередь запре- электрического тока, или о пациенте, объятом пла-
щенного к продаже фентанила), власти менем, — все они принимали опиоиды в высоких
полагали, что более трети смертей от опи- дозах и не отваживались их снизить.
оидов приходится на случаи приема про-
писанных врачом таблеток. В 2016 г. Цен- Врачам встречались пациенты, находящиеся в ста-
тры по контролю и профилактике забо- бильном работоспособном состоянии при приеме
леваний издали указ, согласно которому опиоидов в средних дозах. «Мы знаем таких, кто го-
врачи могли прописывать сильнодейству- дами принимал 15–20 ММЕ и прилично себя чувство-
ющие анальгетики при хронической боли вал, — говорит Уилл Беккер, возглавляющий Уэст-
только в крайних случаях, при этом су- Хейвенский медицинский центр по делам ветеранов
точная доза не должна была превышать войны, и добавляет: — Но при этом гораздо больше
50-миллиграммового морфинового экви- таких, кто не мог оставаться на низких дозах».
валента (ММЕ). Штаты тоже не остались
в стороне. Органы системы здравоохра- Труднее всего приходится пациентам, которые
нения в 36 из них составили собственные принимают обезболивающие в высоких дозах.
инструкции по ограничению количества Перед ними стоит вопрос, продолжать ли борьбу
прописываемых опиоидов. Вдобавок мно- с болью и низким качеством жизни или положить-
гие лечащие врачи ужесточили требова- ся на волю божью. Часто такие пациенты страда-
ния для инструкций, даже когда дело ка- ют от множества других физических и психологических рас-
салось пациентов, принимавших опиоиды стройств, что мешает понять, в какой степени их состояние
длительное время. К 2017 г. почти 70% се- обусловлено основным заболеванием, а в какой — побочными
мейных врачей прибегли к этой мере и еще эффектами от приема лекарств или от других патологий. «Здесь
10% вообще перестали выписывать рецеп- мы вступаем в полосу неопределенности, — говорит Шон Маки
ты на опиоиды. из Стэнфордского университета. — Мы должны персонализиро-
вать наш подход и работать вместе со специалистами из других
Такие решительные меры, однако, не- областей медицины».
безопасны: больные стали приобретать
опиоиды нелегально, резко возросло чис- Далеко не все пациенты хорошо переносят снижение дозы,
ло самоубийств. «Ситуация дистабили- даже если это происходит медленно и с соблюдением всех
зировалась — как в чисто медицинском, предписаний. Возьмем, например, Надин Хьюгл, 53-летнюю жен-
так и в психологическом плане», — зая- щину, которая попала в клинику Беккера после многолетнего
вила психолог Бет Дарналл (Beth Darnall) приема высоких доз перкоцета (одной из комбинаций оксикодо-
из Медицинской школы Стэнфордско- на и ацетаминофена). Хьюгл — сложный пациент во многих от-
го университета. Она входила в группу ношениях. Помимо артрита она страдает посттравматическим
из 92 экспертов, подписавших в сентябре стрессовым расстройством, а в 2014 г. перенесла операцию
2018 г. открытое письмо в федеральные на желудке, потеряв при этом 59 кг. Ее травмированный желу-
органы, в котором выражалась обеспоко- док не переносит нестероидные противовоспалительные обе-
енность по поводу увеличения числа со- зболивающие, которые могли бы заменить опиоиды. Ей мало
общений о пациентах, испытывающих помогает бупренорфин, применяемый при синдроме отмены.

66 В мире науkи | [03] март 2020

Медицина

Помимо этого, у Хьюгл проблемы психосоциального характера, страдания вследствие недостатка обезбо-
связанные с ПТСР и тем, что у ее единственного сына наблюда- ливающих, и сообщалось о росте случаев
ются признаки аутизма. В клинике Беккера ей старались найти суицида. В апреле прошлого года Управ-
замену опиоидам, но боль только усиливалась. Была предпри- ление по санитарному надзору за каче-
нята попытка вернуться к перкоцету на фоне комплексной неле- ством пищевых продуктов и медикамен-
карственной терапии и непрерывного мониторинга. тов (FDA) передало информацию о соот-
ветствующих рисках лечащим врачам.
Эксперты по ситуациям, сходным с той, в которой находится Разумеется, резкий отказ от опиоидов —
Хьюгл, сходятся в том, что лечение должно сопровождаться от- это плохо. Но, к сожалению, мало что из-
слеживанием побочных эффектов и признаков передозировки. вестно о том, каким способом уменьшить
Во всех штатах принята программа мониторинга, которая по- зависимость от них у пациентов с хрони-
зволяет выявить случаи приема препаратов, выписанных други- ческой болью. Никто не может привести
ми врачами. научно обоснованных доводов в пользу
приема этих сильнодействующих веществ
Использование всех возможных способов убеждения па- месяцами и даже годами, и уж совсем не-
циентов перейти на меньшие дозы, вероятнее всего, приве- известно, как от них уйти. К счастью, по-
дет к уменьшению числа людей, принимающих эти препараты иски ответов на эти вопросы уже нача-
длительное время. Марк Салливан припоминает такие случаи лись благодаря выделению средств из фе-
30‑летней давности, когда он начал специализироваться в этой дерального бюджета. Вот один из первых
области. «Я думаю, мы достигнем точки, в которой, как это результатов: необходимо снижать дозу
было в начале моей деятельности, опиоиды будут применяться очень медленно, учитывая при этом инди-
только в исключительных случаях», — говорит он. видуальные особенности пациента, и ис-
пользовать альтернативные способы борь-
бы с болью — именно такой подход помог
Муччино. Согласно результатам некото-
рых исследований, многие пациенты чув-
ствуют себя лучше, принимая опиоиды
в малых дозах, поскольку исчезают такие
побочные эффекты, как вялость, затума-
ненность сознания и запор. Новое руко-
водство по снижению дозы, выпущенное
в октябре прошлого года Министерством
здравоохранения и социальных служб
США, одобрило эти растянутые во време-
ни, «пациентоцентричные» методы.

Многие вопросы еще ждут ответов, в том
числе такие основополагающие, как: в ка-
ких случаях эти препараты остаются
уместными при хронической боли и в ка-
ких дозах, кому необходимо отменять их
и как быть, если пациент этого не хочет?
«Вопрос, больше всего волнующий обще-
ственность именно сейчас, состоит в сле-
дующем: насколько безопасен длитель-
ный прием опиоидов и какова их эффек-
тивность, — говорит Шон Маки (Sean
Mackey), заведующий отделением тера-
пии болевого синдрома в Стэнфорде. —
Если честно, мы этого не знаем». Но мед-
ленно и неуклонно проблема пристрастия
американцев к опиоидам решается.

Сила и слабость опиоидов

Отношение к опиоидам как к препара-
там первого ряда при терапии хрониче-
ской боли начало меняться в середине
1990‑х гг. Это было время, когда медицин-
ское сообщество стало относиться к этой

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 67

Медицина

патологии более серьезно, поместив ее на пятое ме- п­ ытается найти ответ на вопрос, действительно
сто в ряду «жизненно важных показателей» (после ли опиоиды — незаменимое средство для избав-
артериальной гипертензии, частоты сердечных ления от хронической боли. В прошлом году она
сокращений, респираторных инфекций и темпе- опубликовала результаты первого рандомизиро-
ратуры). В это же время на рынке появилась одна ванного испытания, в котором проводилось пря-
из пролонгированных версий оксинодона, встре- мое сравнение эффективности опиоидов и неопио-
ченная с огромным энтузиазмом и с уверенностью идных анальгетиков — от хорошо всем известных
в его безопасности при долговременном приеме противовоспалительных средств, таких как ибу-
и отсутствии привыкания — это заблуждение впо- профен, до препаратов, применяемых при невро-
следствии обернулось многомиллионными судеб- логических болях, таких как габапентин. Испы-
ными тяжбами. Ранее природные опиаты, такие тания длились целый год. Руководимая ею группа
как морфин, и синтетические опиоиды, например наблюдала за 240 пациентами, страдающими бо-
оксикодон, применялись в основном для купирова- лью от средней степени тяжести до высокой в спи-
ния острых недолговременных болей, для облегче- не или суставах. Оказалось, что члены «неопио-
ния состояния онкологических больных и в каче- идной» группы испытывали менее сильную боль
стве паллиативной меры. и у них отсутствовали побочные эффекты.

Они рассматривались как дешевая альтернати- Кребс обнаружила и другие свидетельства того,
ва золотого стандарта при устранении упорной что прием опиоидов не всегда оказывается наи-
хронической боли: междисциплинарного подхо- лучшим способом избавления от хронической
да с участием команды психологов, лечащих вра- боли. На конференции, посвященной этой пробле-
чей, физиотерапевтов и других специалистов. Все ме и состоявшейся в 2018 г., она представила шо-
вместе они работали с пациентом в течение не- кирующие предварительные данные по долговре-
скольких недель в специализированных клини- менному наблюдению за 9245 ветеранами, при-
ках. Такой подход гораздо более продуктивен, чем нимавшими опиоиды более шести месяцев. Только
простой прием таблеток, но он адресуется к би- четверть из них оценили результаты лечения как
опсихосоциальной природе хронической боли — очень хорошие или даже отличные, а 80,9% заяви-
к тому факту, что ощущения пациента определя- ли, что боль распространилась на все тело — один
ются не только распространением болевых сиг- из побочных эффектов, болевой синдром под на-
налов по нервным волокнам, но и силой духа, званием «опиоидная гипералгезия». «У меня в го-
личностными особенностями, социальным фо- лове промелькнуло: какой ужас! — сказала мне
ном и даже значением, которое пациент придает Кребс. — Такие люди испытывают невыносимые
боли. «Боль, свидетельствующую о прогрессиро- страдания, а мы ничем не можем им помочь».
вании рака, переносить труднее, чем боль в мыш-
цах после интенсивной тренировки», — замечает Как справиться с синдромом отмены
Марк Салливан (Mark Sullivan), психиатр из Цен-
тра по устранению боли при Вашингтонском уни- Когда риск приема опиоидов превышает преиму-
верситете в Сиэтле. щества — например, пациент не придерживается
предписаний врача или появляются симптомы пе-
Даже если опиоиды одномоментно назначались редозировки, — согласно новым инструкциям Ми-
большому количеству пациентов с болью в спине, нистерства здравоохранения и социальных служб
за их действием наблюдали не более шести недель. США, препараты следует отменять. Но как это сде-
Этого совершенно недостаточно для того, чтобы лать, не вызвав новые мучения, и что предложить
судить о физических и психологических послед- взамен? В идеале пациенты с неукротимой болью
ствиях по прошествии нескольких месяцев и лет должны находиться в многопрофильных реаби-
или о том, как часто следует повышать дозу, что литационных клиниках, где есть опыт перехода
сопряжено с увеличением риска респираторных от опиоидов к другим болеутоляющим средствам.
проблем, головокружения и передозировки. Но многие такие центры закрылись, когда меди-
цинское сообщество стало воспринимать опиоиды
Впрочем, пробелы в этих знаниях беспокои- как панацею, а лечение в многопрофильных кли-
ли немногих. Ирин Кребс (Erin Krebs) в середине никах оставалось слишком дорогим. В 2018 г. Дар-
1990‑х гг. училась в медицинской школе. Она пом- налл одной из первых предложила выход: очень
нит, как ее удивило, что лекарства, не прошед- медленное снижение дозы с учетом индивидуаль-
шие долговременных испытаний, пациенты при- ных особенностей пациента.
нимают по предписанию врачей месяцы и даже
годы. Сегодня Кребс возглавляет терапевтиче- В пилотном исследовании с участием 68 паци-
ское отделение в Системе помощи ветеранам вой­ ентов, результаты которого были опубликова-
ны в Миннеаполисе и занимается исследования- ны в JAMA Internal Medicine, было показано, что
ми, цель которых — помочь так называемым ле- 51 участнику испытаний удалось уменьшить
гальным пациентам, принимающим опиоиды, дозу вдвое без усиления боли. Они получили чет-
в подборе безопасной дозы. Но одновременно она кое предписание от лечащего врача и руководство

68 В мире науkи | [03] март 2020

Медицина

по самопомощи. Медленное снижение дозы было которых в обычной обстановке они стараются из-
особенно важно в первые четыре недели; в этот бегать по причине их болезненности: например,
период уменьшение не должно было превышать они совершают ежедневную прогулку или чистят
двух пятипроцентных приростов, что значитель- электроплиту; обучаются упражнениям, разогре-
но меньше 10% в неделю, предписанных в 2016 г. вающим суставы; организуют мозговой штурм
«карманным справочником», и соответствовало с целью оптимизации взаимодействия с медицин-
сегодняшней версии, принятой Министерством ским персоналом. Пациенты отмечают, что груп-
здравоохранения. повой подход с участием страдающих одинаковой
патологией дает лучшие результаты, чем если бы
«Придерживаясь этой микрошаговой схемы, каждый занимался самостоятельно. «Вы осознае-
мы даем возможность пациенту адаптироваться те, что все находитесь в одной лодке, и это помога-
к меньшим дозам и обрести уверенность как в от- ет», — говорит Сильвия Номикос (Sylvia Nomikos),
ношении лечащего врача, так и в отношении само- ушедшая на пенсию преподавательница с тяже-
го себя», — поясняет Дарналл. По ее словам, цель лым спинальным стенозом, которая прошла курс
такой схемы — не уменьшение дозы до нуля, но до- самоконтроля боли в Плезантвилле, штат Нью-
стижение минимальной эффективности ее вели- Йорк. Участники двух других подобных тренингов
чины. Четыре участника испытаний попытались отмечали уменьшение болевых ощущений, депрес-
совсем прекратить прием опиоидов, но четверо сии и тревоги по поводу своего состояния.
других остались на исходной позиции или даже
увеличили прием. 17 испытуемых вообще выбыли Дарналл с коллегами намеревается выяснить,
из игры. Примечательно, что отсутствовала вся- как метод саморегуляции работает при когнитив-
кая корреляция между исходной дозой и продол- но-поведенческой терапии и можно ли включить
жительностью приема опиоидов, с одной стороны, его в основной протокол постепенного снижения
и переносимостью пациентом уменьшения дозы — дозы опиоидов. Между тем они собирают данные
с другой. по употреблению участниками марихуаны, что-
бы проверить, влияет ли это на процесс уменьше-
Дарналл не терпится выяснить, могут ли ка- ния дозы опиоидов. «Такие исследования не тер-
кие-либо дополнительные меры помочь большему пят отлагательства», — говорит Дарналл. Но в лю-
числу пациентов успешно пройти процесс отказа бом случае результаты пилотного проекта уже
от опиоидов. Получив грант от Института исследо- продемонстрировали безопасность и экономич-
ваний результатов, ориентированных на пациента ность использованного способа отказа от опиои-
(PCORI), она намеревается провести годичные ис- дов, и теперь такую практику можно применять
пытания с участием 1365 пациентов с хронической повсеместно.
болью, получившие название EMPOWER (Effective
Альтернативный подход
Management of Pain and Opioid-Free Ways to Enhance
Другое направление исследований — им занима-
Relief, «Эффективное управление болью и свобод- ются, в частности, Салливан и Кребс — тестиро-
ные от опиоидов способы усиления облегчения»). вание реалистичного недорогого способа помо-
Пожелавшие остаться на прежней дозе 500 участ- щи больным с хронической болью, направленно-
ников станут контрольной группой. Остальных го на уменьшение зависимости от опиоидов. Кребс
случайным образом разделят на три подгруппы. руководит крупномасштабными испытаниями,
Первые будут получать лечение в соответствии также спонсируемыми PCORI. В его рамках 500 ве-
с пилотным методом Дарналл. Вторые в дополне- теранов будут подбирать, находясь на телефонной
ние к этому пройдут девятинедельный курс груп- связи с фармакологом, безопасную и эффективную
повой когнитивно-поведенческой терапии, некую дозу принимаемых лекарств. Кураторами других
разновидность кратковременного психологиче- 500 участников будет команда экспертов разных
ского тренинга, нацеленного на изменение обра- специализаций (терапевт, физиолог, фармацевт
за мыслей пациента. Третьи тоже будут лечиться или физиотерапевт), в меньшей степени нацелен-
по методу Дарналл и пройдут шестимесячный курс ных на медикаментозное лечение и в большей —
по самоконтролю болевых ощущений. на достижение индивидуальных целей и на улуч-
шение образа жизни, и все это на фоне не под-
Самоконтроль боли — недорогая процедура; ею дающейся устранению боли. Кроме того, одной
руководит один из участников, прошедший спе- из задач испытаний поставлено построение схе-
циальную подготовку, а не профессионал, но ее мы терапии, смягчающей синдром отмены.
не апробировали применительно к опиоидам. Ме-
тод разработан преподавателем из Стэнфордско- «Ни от кого не ждут полного отказа от опиои-
го университета Кейт Лориг (Kate Lorig) и состо- дов», — отмечает Кребс, но участники, принима-
ит из строго упорядоченных видов деятельности, ющие их в высоких дозах, должны быть проин-
теоретических занятий и дискуссий, которые по- формированы о возможных рисках. Тех, кто на-
зволяют контролировать болевые ощущения и по- меревается совсем уйти от опиоидов, разделят
буждают вести более активный образ жизни. Так,
пациенты составляют щадящий план действий,

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 69

Медицина

случайным образом так, что часть будет получать Без опиоидов
заместительную терапию в виде бупренорфин-
налоксона (дженерика субоксона). Он соединя- Отход от опиоидов означает, что все меньшему
ет в себе опиоидное болеутоляющее и опиоидный числу пациентов они будут назначаться впервые
блокатор и ослабляет боль, смягчает синдром от- и все чаще будут применяться другие подходы,
мены и характеризуется сравнительно небольшим в частности физические и поведенческие, а также
риском передозировки. «Этот препарат хорошо за- неопиоидные препараты. Первая часть этого по-
рекомендовал себя в случае опиоидной зависимо- ложения уже реализуется: масштабное исследо-
сти, — поясняет Кребс, — и было бы интересно по- вание, проведенное в прошлом году, показало, что
смотреть, поможет ли он в нашем случае». доля пациентов, которым опиоиды были назна-
чены впервые, снизилась на 54% в период с июля
Свои исследования Кребс проводит в той са- 2012 г. по декабрь 2017 г. Изменить что-либо в те-
мой клинике, куда обратился Муччино. Ее дирек- рапии труднее. По наблюдениям Салливана, «ни-
тор Уилл Беккер (Will Becker) в своей повседневной что не сделает человека с хронической болью более
практике назначает бупренорфин-налоксон для счастливым, чем прием оксиконтина, — он почув-
подготовки к процессу снижения дозы опиоидов. ствует себя лучше сразу после выхода из клини-
Две трети пациентов дали согласие на такое лече- ки». Другие медикаменты действуют медленнее.
ние; к ним относится и Муччино. Беккер считает, Может случиться так, что вам станет хуже, пре-
что этот препарат обеспечивает «мягкую посадку» жде чем вы почувствуете облегчение. «Принимая
пациентам, принимавшим опиоиды несколько лет. их, нужно набраться терпения — так, как при фи-
Он полагает также, что простое наличие выбора зической и поведенческой терапии», — продолжа-
очень важно для принятия решения. ет Салливан.

Методика Беккера делает упор на достижение Лечащим врачам, особенно работающим в от-
целей, задаваемых самим пациентом. Это может делениях первой помощи, очень помог бы тре-
быть возвращение на работу или просто более ран- нинг, рекомендуемый Национальной стратегией
нее вставание по утрам. «Мы стараемся напра- по борьбе с болью (National Pain Strategy) и практи-
вить все усилия на достижение следующих целей: куемый с 2018 г. (в США студенты медицинских ву-
специфичных, поддающихся оценке, направлен- зов проходят практику по устранению боли в объ-
ных на выполнение определенных действий, реа- еме от четырех до 12 часов, в то время как у сту-
листичных и хронометрируемых, — поясняет Бек- дентов — будущих ветеринаров она составляет
кер. — Все это конкретные, вполне реальные вещи, 28 часов). В рекомендациях по тренингу отмеча-
позволяющие уменьшить боль». ется также, что «обществу в целом» было бы полез-
но ознакомиться с тем, насколько сложен сам фе-
Главная цель Муччино — иметь возможность номен боли и как ею можно управлять.
проводить время со своими семью внуками, «на-
блюдать, как они растут, — как можно дольше и со Муччино все это освоил на практике. Сегодня
светлой головой». Он так много упустил в общении он не только принимает бупренофин-налоксон
со своими детьми: «Я работал по 60–70 часов в не- в малых дозах, но и регулирует болевые ощуще-
делю, меня выбивали из колеи опиоиды. Придя до- ния с помощью релаксации, упражнений на рас-
мой, я без сил валился на диван». Прием бупренор- тяжение и методов когнитивно-поведенческой те-
фина помог ему отказаться от оксиконтина. рапии. Дома он занимается физиотерапией под
записи Джеймса Тейлора. Он очень дорожит под-
Немногочисленные исследования и клиниче- держкой членов семьи, много времени посвящает
ские испытания свидетельствуют о том, что если внукам, совершает велосипедные прогулки. И ни-
пациент поборол свои страхи, то он чувствует каких опиодов!
себя гораздо лучше при снижении дозы или отка-
зе от опиоидов. Боль как таковая может оставать- Перевод: Н.Н. Шафрановская
ся прежней, но при пониженных дозах, что прояв-
ляется в улучшении самочувствия и настроения. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ
«Прежде всего это связано с тем, что опиаты —
включая те, что вырабатываются в нашем орга- Филдс Д. Новые подозреваемые по делу о хронической боли //
низме, — действуют на разные отделы головного
мозга, в том числе на те, которые опосредуют эмо- ВМН, № 1, 2010.
ции и внимание. Когда вы нагружаете эти отделы
лекарствами, все ваши чувства притупляются». Effect of Opioid vs Nonopioid Medications on Pain-Related Func-
Однако есть небольшое число больных, у которых
реакция на опиоиды имеет особый характер, и экс- tion in Patients with Chronic Back Pain or Hip or Knee Osteoarthri-
пертов очень беспокоит ситуация, когда таких лю-
дей заставляют отказаться от опиоидов. Не каж- tis Pain — The SPACE Randomized Clinical Trial. Erin E. Krebs et
дый из них выдерживает даже небольшое сниже-
ние дозы, не говоря уж о полной отмене. al. in Journal of the American Medical Association, Vol. 319, No. 9,

pages 872–882; March 6, 2018.

70 В мире науkи | [03] март 2020



СПЕЦРЕПОРТАЖ Cover and main illustrations by Enan Liang
И

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

ПРИ ПОДДЕРЖКЕ МЕДИЦИНСКОГО ЦЕНТРА ПИТТСБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
72 В мире науkи | [03] март 2020

Устранить причину СОДЕРЖАНИЕ
заболевания
Сила в сферах 74
На протяжении многих лет врачи
занимались симптоматическим ле- Чад Миркин, Кристин Ларами
чением, не затрагивая причин за-
и Кацпер Скакуж
болевания. Они удаляли опухоли,
вырезали тромбы из артерий, вво- Молекулы ДНК или РНК, упакованные в сферы,
дили инсулин и сбивали темпера- могут атаковать рак мозга и другие
заболевания, недоступные для традиционных
туру. Однако они не могли воз- лекарств
действовать на биологические
команды, заставляющие клетки Инфографика: 79
ДНК для лечения ДНК
и ткани бесконтрольно расти,
проводить неправильные сиг- Генетические тесты
налы по нервам, давать слиш-
ком много или слишком мало энергии, отекать при воспалении. Ко- для младенцев 80
манды, определяющие, что и когда должна делать данная клетка,
записаны в молекуле ДНК, и когда в ней появляются какие-то нару- Таня Льюис
шения, возникают страшные заболевания. Практически не было ле-
карств, которые могли бы повлиять на ДНК и ее РНК‑посредников, Сегодня мы можем проверять
исправив возникшие нарушения. Этот специальный репортаж рас- новорожденных на тысячи генетических
сказывает, что теперь все иначе. заболеваний, однако это не всегда полезно
Ситуация начала меняться еще в начале столетия, когда была
прочитана полная последовательность ДНК человеческого гено- Достижения
ма. А в последние несколько лет, когда научились создавать корот-
кие цепочки с заданной последовательностью нуклеотидов, уче- генетической терапии 86
ные поняли, что лучшее вещество, способное добраться до ДНК, —
сама ДНК. Создание новых генов, выключающих или заменяющих Джим Дэли
неисправные варианты, привело к появлению 14 одобренных
ДНК‑препаратов (с. 86). Исследования последних лет выявили, что После нескольких фальстартов препараты,
для более эффективного лечения лучше использовать не линейные влияющие на гены, наконец смогут изменять
цепочки ДНК, а ДНК-сферы, которые проще попадают внутрь клет- жизни людей
ки (с. 74). Анализ ДНК также открывает новые возможности. Не-
смотря на то что в США новорожденным сейчас уже делают анализ Все мы 88
на 30– 60 генетических заболеваний, вероятно, удастся выявить еще
порядка 1 тыс. генов, связанных с детскими болезнями, которые мо- Стефани Девани
гут стать новыми мишенями для лечения (с. 80).
Однако та же самая наука создала и проблемы. Иногда генетиче- Чтобы избежать неравенства, генная
ский анализ младенцев может вызвать ложную тревогу, так как если терапия должна учитывать многообразие
в результате обнаруживается ген, связанный с каким-нибудь заболе- меньшинств, и для этого создан большой
ванием, это не обязательно приводит к развитию самой болезни. Кро- генетический проект
ме того, при исследовании образцов ДНК присутствует неравенство.
Большинство данных о последовательностях ДНК получены на белых [03] март 2020 | В мире науkи 73
людях, поэтому мы не знаем каких-то генетических вариантов, вызыва-
ющих болезни у других рас. Если мы это не исправим, то неравенство
в исследованиях приведет к неравенству в здравоохранении (с. 88).
Сейчас генетики запускают проекты для получения более разносто-
ронних данных. Генная терапия — это могучая сила, которая должна
быть доступна всем, а не только избранной группе людей.
Создание отчета о ДНК-препаратах и сопутствующих методах, опу-
бликованного в журналах Scientific American и Nature, поддержано
Медицинским центром Питтсбургского университета. Спецрепор-
таж подготовлен самостоятельно редакторами Scientific American, ко-
торые несут личную ответственность за все представленные мате-
риалы. Медицинский центр согласился быть спонсором репортажа,
но не внес никакого вклада в его содержание.

Джош Фишман, ведущий редактор

w w w.sci-ru.org

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

РАЗРАБОТКА ЛЕКАРСТВ

Сила в сферах

Молекулы ДНК или РНК,
упакованные в сферы, могут
атаковать рак мозга и другие
заболевания, недоступные для
традиционных лекарств

Кристин Ларами, Чад Миркин
и Кацпер Скакуж

74 В мире науkи | [03] март 2020

РАК МОЗГА УЖАСЕН. Он поражает орган, который мы привыкли считать основой нашей личности, мыш-
ления и всех человеческих качеств. А поскольку это заболевание возникает внутри мозга, его невероят-
но трудно вылечить. В процессе эволюции мозг выработал много способов самозащиты, чтобы не пустить
внутрь посторонние вещества, поэтому туда не проникают большинство противораковых препаратов. Ис-
пользование скальпеля или радиотерапии несет серьезный риск для органа, где гнездится наш разум. Поэ-
тому относительная пятилетняя выживаемость людей с самой распространенной первичной опухолью моз-
га — глиобластомой — составляет печальные 5%. Это заболевание убило Джона Маккейна, Эдварда Кенне-
ди и Бо Байдена и уносит жизни примерно 15 тыс. менее известных американцев каждый год.

Сейчас разработан нанопрепарат, который, рас- могут вмешиваться в работу только тех генов, ко-
пространяясь по организму, попадает в мозг, где торые вызывают данное заболевание, или взаи-
может убивать раковые клетки. Его лекарствен- модействовать с молекулами-посредниками, че-
ные частицы состоят из олигонуклеотидов — ко- рез которые испорченный ген посылает сигнал
ротких цепочек ДНК или РНК, то есть веществ, ко- клетке. Биологи раньше уже пытались использо-
торые диктуют каждой клетке, что ей надо делать. вать нуклеиновые кислоты для этой цели, но пре-
Олигонуклеотиды торчат из центрального ядра, имущественно линейную форму и практически
как множество колючек морского ежа. Такие ши- не имея возможности направить их точно в нуж-
пастые частицы получили название «сферические ное место в организме. А поскольку организм хоро-
нуклеиновые кислоты» (СНК). В первых экспери- шо защищен от чужеродного генетического мате-
ментах на восьми пациентах было показано, что риала, в частности с помощью иммунной системы,
они достигли клеток глиобластомы и связались то чаще всего защитные механизмы повреждали
с теми командными молекулами, которые отвеча- препараты или сразу отправляли их для выведе-
ют за бесконтрольный рост опухоли. ния в печень и почки.

По-видимому, подобные сферические препара- Однако СНК, будучи размером всего лишь в не-
ты могут помогать в борьбе с разными заболева- сколько миллиардных метра, по-видимому, могут
ниями. Спинальная мышечная атрофия (СМА) — перемещаться по организму и проникать внутрь
один из страшных недугов, поражающих младен- клеток прежде, чем иммунная система их заметит.
цев. Она постепенно лишает детей возможности Сферическая форма позволяет в небольшом объ-
управлять своими мышцами, со временем дыха- еме плотно упаковать «иголки» нуклеиновых кис-
тельные и глотательные движения становятся за- лот. Такая плотность обеспечивает надежное взаи-
трудненными, а потом и вовсе невозможными. модействие с рецепторами на клеточной поверхно-
Большинство детей с данным расстройством уми- сти и, соответственно, попадание такой частицы
рают, не достигнув детсадовского возраста, и до внутрь. Определенная последовательность элемен-
последнего времени врачи ничего не могли с этим тов (это те же самые нуклеотиды — A, T, C и G, с по-
поделать. В 2016 г. Управление по санитарному мощью которых записана генетическая информа-
надзору за качеством пищевых продуктов и меди- ция) обеспечивает действие СНК только на компле-
каментов (FDA) одобрило одно средство: препарат ментарные последовательности ДНК или РНК. РНК
«Спинраза», который надо вводить непосредствен- вместо T содержит U (урацил), и мы учитываем это.
но в спинной мозг несколько раз в год. Стоимость Мы создаем наши цепочки так, чтобы они подхо-
одной инъекции составляет $125 тыс., это одно дили только к тем последовательностям в клетке,
из самых дорогих в мире лекарств. Недавно, в ис- которые необходимы для развития заболевания.
следовании на грызунах, мы сравнили препарат СНК — не волшебное средство, и, прежде чем его
«Спинраза» с нашими сферами, покрытыми тор- можно будет начать массово применять на пациен-
чащими нуклеиновыми кислотами, которые вме- тах, оно должно пройти множество тестов. Одна-
шиваются в передачу молекулярных команд, вы- ко у него есть потенциальная возможность спра-
зывающих симптомы СМА. Оказалось, что сферы виться с некоторыми наиболее тяжелыми болез-
продлевают срок жизни в четыре раза (115 против нями в мире за счет того, что нуклеотиды в СНК
28 дней) и у них значительно слабее токсичное по- можно переставить так, чтобы они могли специ-
бочное действие. фично связываться с разными молекулами, вызы-
вающими заболевания.
Сферические нуклеиновые кислоты не вызыва-
ют проблем, часто возникающих при разработке Программирование лекарств
новых лекарств. Обычные препараты неспецифич-
ны: они могут подействовать не только на боль- Обычно ученые находят лекарства против бо-
ные, но и на здоровые клетки и органы, и, следова- лезней, перебирая сотни тысяч небольших син-
тельно, у них много побочных эффектов. Нуклеи- тетических или природных соединений, проходя
новые кислоты, напротив, разработаны так, что долгий путь проб и ошибок, чтобы понять, есть ли

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 75

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

от них какая-нибудь польза для лечения. И хотя они должны еще пройти через мембрану, которая
благодаря такому конвейеру появилось много от- служит барьером, не пускающим вещества внутрь.
личных препаратов, таких как, например, анти- В результате фармацевтические компании, рабо-
биотики, у всех у них, даже у самых прогрессив- тающие с олигонуклеотидами, обычно ограничи-
ных, есть нежелательные побочные эффекты. ваются лечением заболеваний, при которых клет-
Даже для создания биопрепаратов — лекарств но- ки мишени находятся в печени. Печень — безус-
вого типа, которые обычно изготавливают на ос- ловно, очень важный орган, но такая узкая область
нове белков, вырабатываемых иммунной системой применения олигонуклеотидов сильно ограничи-
мышей, кроликов или других животных, — требу- вает их возможности. Альтернативный способ вве-
ется некоторое количество проб и ошибок. дения олигонуклеотидов — непосредственно в по-
раженный орган, как это делают, вводя «Спинра-
В идеале при создании лекарства ученые долж- зу» в спинной мозг. Технически это сложно и до сих
ны иметь возможность быстро и рационально раз- пор не обеспечивает поступления лекарства во все
работать специфичный препарат, который исполь- пораженные клетки.
зует тот же самый язык, что и наши клетки, а не
искать нужное вещество как иголку в стоге сена. Удивительный результат
Клетки передают множество сложных сообще-
ний, используя ДНК и РНК, чтобы синтезировать Наша группа в Северо-Западном университе-
миллионы белков. Для получения нужных бел- те вместе с другими исследователями совершила
ков клетке необходимо правильно выполнить мно- открытие в нанотехнологиях, приведшее к появ-
го шагов: найти правильную последовательность лению СНК, которые могут стать решением этой
ДНК нуклеотидов, перевести (транскрибировать) проблемы. До 2006 г. мы интересовались исполь-
ее в молекулу РНК, которая называется матричной зованием СНК для высокочувствительной диагно-
РНК (мРНК), а затем аккуратно прочитать мРНК, стики. Благодаря способности к специфичному
чтобы из отдельных аминокислот составить це- связыванию СНК можно было бы применять для
почку, которая может достигать в длину до 35 тыс. вылавливания фрагментов раковой ДНК из образ-
аминокислот, образуя единый белок. ца крови. Мы смогли сделать такую структуру, на-
поминающую морского ежа, взяв золотую нано-
Ошибки в ДНК, когда, например, один нуклеотид частицу и прикрепив к ней множество нитей ДНК
добавляется, удаляется или перемещается в не- только одним концом. На другом конце ДНК содер-
правильное место, могут остановить синтез белка жалась последовательность нуклеотидов, компле-
или привести к созданию нестандартного белка, ментарная последовательности раковой ДНК, та-
что может вызвать заболевание. Слишком много ким образом, конструкция отлично работала как
копий мРНК, следовательно, слишком много белка, датчик. Мы использовали подобные сферы и для
также могут быть причиной болезни. Заражение того, чтобы из этих искусственных частиц с про-
клетки нуклеиновыми кислотами вируса приводит граммируемыми связями создавать новые виды
к появлению в ней вредоносных вирусных белков. материалов. При этом мы не занимались разра-
боткой лекарств. Ведь согласно господствующим
Однако можно синтезировать короткие цепоч- представлениям в химии и биологии, нуклеиновые
ки ДНК и РНК — олигонуклеотиды. Генетический кислоты ДНК и РНК не могут естественным обра-
алфавит подчиняется определенным правилам: зом проходить через клеточную мембрану.
A всегда связывается только с T, а G — с C, поэтому
мы можем создать такие олигонуклеотиды, кото- Однако нам было любопытно, каким образом ну-
рые специфически свяжутся и заблокируют только клеиновые кислоты с новой геометрической фор-
ту последовательность, которая вызывает заболе- мой будут взаимодействовать с живыми система-
вание. Таким образом, эти синтетические цепочки ми. Фармакологи уже экспериментировали с це-
влияют на работу клетки, не позволяя поражен- почками олигонуклеотидов, правда, не очень
ным клеткам синтезировать опасные белки. успешно. Занимаясь исследованием диагности-
ческих свойств СНК, мы знали, что когда олиго-
Хотя существует оборудование, способное авто- нуклеотиды упакованы, как иглы у ежа, они могут
матически синтезировать олигонуклеотиды с лю- гораздо сильнее связывать целевые ДНК и РНК,
бой заданной последовательностью, какую только чем это удается одиночным цепочкам. Причина
можно пожелать, для лечения пациентов одобре- в том, что на поверхности наночастицы они упа-
но менее десятка подобных препаратов. Дело в том, кованы более плотно. Это делает их более жест-
что, попадая в кровеносное русло, такие цепочки кими и помогает нуклеотидам A, T, G и C на каж-
нуклеотидов сталкиваются с трудностью: буду- дой нити выравниваться в линию и соединяться
чи чужеродными для организма, они распознают- с комплементарной цепочкой при встрече. Поэто-
ся как опасное вещество или как отходы. Иммун- му мы предположили, что при правильном подборе
ная система либо уничтожает их, либо направля- последовательности нуклеотидов СНК могут стать
ет в почки и печень для выведения из организма. мощным лекарственным средством.
Поэтому олигонуклеотиды не достигают заданной
цели. Даже если они доберутся до нужной клетки,

76 В мире науkи | [03] март 2020

Для того чтобы проверить эту идею, мы прове- ­заблокировать эту мРНК. Когда мы добавили к мы-
ли эксперимент, особо не надеясь на успех. Мы взя- шиным клеткам с такой РНК подходящие компле-
ли отдельные цепочки олигонуклеотидов и поме- ментарные СНК, изменение цвета было заметным.
стили их в экспериментальную пробирку с клетка- Клетки, к которым не добавляли никаких сфер,
ми мыши. В другую пробирку мы добавили такие светились ярким зеленым цветом, значит, у них
же олигонуклеотиды, но упакованные в СНК, и та- с этой мРНК синтезировался белок. Но если к клет-
кие же клетки мыши. И к отдельным цепочкам, кам добавляли СНК, они становились прозрачны-
и к сферам мы прикрепили красные флуоресци- ми, следовательно, мы смогли заблокировать мРНК
рующие метки, чтобы проследить путь этих мо- до того, как они передадут инструкции, необходи-
лекул. Затем мы посмотрели на клетки в микро- мые для синтеза зеленого белка. Результаты были
скоп. Те клетки, к которым добавили отдельные опубликованы в журнале Science в 2006 г.
цепочки, оказались, как и ожидалось, прозрачны-
ми. Олигонуклеотиды не прошли через клеточную Затем мы занялись главной проблемой, с кото-
мембрану. Однако те клетки, к которым добавили рой сталкиваются линейные олигонуклеотиды:
СНК, засветились на экране ярко-красной флуо- взаимодействием с защитными системами орга-
ресценцией. Сферы проникли внутрь! низма. Оказалось, что на наших сферах за счет
плотной упаковки молекул накапливается силь-
Как же это могло произойти? В целом клеточная ный электрический заряд, который помогает им
мембрана строго регулирует, какие молекулы мо- избежать вмешательства иммунной системы.
гут через нее пройти. Более того, и олигонуклео- Сильный заряд мешает приблизиться защитным
тиды, и поверхность клетки несут отрицательный нуклеазам — белковым молекулам, которые разру-
заряд. Как два магнита, эти два биологических шают чужеродные ДНК и РНК.
объекта должны отталкиваться друг от друга. Тем
не менее когда мы воспроизвели наш эксперимент Настоящее испытание
на 50 типах клеток человека и животных, во всех
случаях, кроме одного, клетки светились красным, Мы получили важные данные, но только в лабо-
сигнализируя, что опыт прошел успешно. ратории. Другие исследователи независимо вос-
произвели наши результаты и улучшили их. Сре-
Сейчас, как нам кажется, мы знаем, через какие ди них были дерматолог Эми Паллер (Amy Paller),
ворота проходят молекулы. Это фагоцитарные ре- эксперт по СМА Артур Бургес (Arthur Burghes),
цепторы, которыми усыпана поверхность клетки. специалист по иммунотерапии Бин Чжан (Bin
Данные рецепторы играют важную роль во взаи- Zhang), биолог, изучающий рак, Алекс Стег (Alex
модействии клетки с окружающей средой, когда, Stegh), хирург-трансплантолог Джейсон Вертхайм
например, клетке нужно получить наноразмер- (Jason Wertheim) и онколог Прия Кумтекар (Priya
ные молекулы извне. Благодаря некоторым струк- Kumthekar). Однако путь от лабораторных откры-
турным особенностям окончания «игл» СНК похо- тий к лечению пациентов долог и сложен, и при-
жи на естественные молекулы, которые связыва- мерно десять лет назад исследователи из нашей
ются с этими рецепторами. Как мы уже писали, группы основали компанию Exicure для продвиже-
нити олигонуклеотидов упакованы в сфере очень ния в клинику препаратов на основе СНК.
плотно, а чем больше точек сцепления, тем проч-
нее связь, тот же принцип верен и для застежки- Первоначально мы исследовали возможность до-
липучки. А если фагоцитарные рецепторы распоз- ставки потенциальных лекарств к поврежденным
нают одиночную нить олигонуклеотидов, силы тканям с помощью крема для кожи и глазных ка-
сцепления не хватит и молекула просто уплывет пель. Это было бы заметно лучше, чем инъекции,
прочь. и вполне осуществимо, поскольку СНК легко по-
глощаются клетками. Мы выбрали два заболева-
С помощью электронного микроскопа мы смогли ния — псориаз и плохую заживляемость ран, и для
увидеть, что, когда СНК связываются с этими ре- них уже есть несколько перспективных кандида-
цепторами, мембрана изгибается, формируя углу- тов СНК, находящихся на стадии клинических ис-
бление, и СНК входят внутрь клетки. пытаний.

Сферы как лекарство Несомненно, кожа — орган, до которого легко до-
браться. А вот мозг — нет. Он защищен бдитель-
Попасть внутрь клетки — пока только половина ной иммунной системой и сетью сосудов, образу-
победы. Чтобы СНК работали в качестве лекарств, ющих барьер между кровью и мозгом (гематоэн-
они должны найти, связать и блокировать опреде- цефалический), не допускающий проникновения
ленные молекулы мРНК, которые несут инструк- чужеродных молекул. Все это сильно затрудняет
ции по синтезу вредоносных белков. лечение мозговых опухолей, в частности глиобла-
стомы. Однако мы подумали, что СНК могут про-
Первая мРНК, ставшая нашей мишенью, не име- ходить через этот барьер с помощью тех же рецеп-
ла отношения к болезням, она несла информа- торов, которые обеспечивают и проникновение че-
цию о белке, который светится под микроско- рез мембрану клетки. Попав в мозг, наши ­сферы
пом ярко-зеленым цветом. Нашей целью было

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 77

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

могли бы бить по раковым клеткам, нацелива- э­ ффективность и безопасность. Безопасность дру-
ясь на гены и белки, отвечающие за поддержание гих СНК, нацеленных на смертельно опасный рак
клетки в жизнеспособном состоянии, которые ра- кожи, сейчас проверяется в отдельной серии экс-
ковые клетки производят в огромных количествах. периментов.

Мы запустили проект, создав препарат СНК В целом лечение СНК пока не было одобрено. Есть
с множеством коротких фрагментов РНК, специ- целый ряд вопросов, которые надо решить. В пер-
ально синтезированных так, чтобы выключать вую очередь, поскольку СНК проникают внутрь
производство белка Bcl2L12 в глиобластоме. Дан- клеток, необходимо убедиться, что их действие
ный белок работает как биохимический защит- не распространяется на другие «нецелевые» мРНК,
ник, который помогает раковой клетке поддержи- даже если СНК сконструированы так, чтобы точно
вать свою жизнедеятельность. Мы решили, что, соответствовать только проблемным молекулам.
перехватив молекулы мРНК, которые команду- Кроме того, надо провести испытания на большем
ют клеткам синтезировать этот белок, мы сможем числе пациентов и улучшить точность этих пре-
сделать опухоль уязвимой для традиционного ле- паратов, чтобы в пораженные ткань или орган по­
чения. Так и получилось в исследовании на живот- падало большее количество СНК.
ных, которое мы опубликовали в журнале Science
Translational Medicine в 2013 г. СНК достигли моз- Мы считаем, что способность СНК проникать
га мыши, пройдя через гематоэнцефалический ба- в разнообразные ткани — это уникальное свой-
рьер, и заблокировали синтез белка Bcl2L12 вну- ство, благодаря которому лекарства такого типа
три клеток глиобластомы. В прошлом году первые получат широкое распространение. СНК объеди-
клинические испытания показали, что у человека няет в себе три ключевых компонента: возмож-
СНК также добираются до клеток глиобластомы. ность синтезировать большое количество опре-
Мы не вылечили этих пациентов, и нам еще пред- деленных олигонуклеотидов, понимание основ
стоит узнать, повышают ли СНК уязвимость ра- генетических заболеваний и возможность достав-
ковых клеток. И все же способность СНК попадать лять эти олигонуклеотиды в определенные тка-
в мозг без токсичного побочного действия вселяет ни и клетки. Два первых компонента, безусловно,
надежду, что мы сможем вылечить эту форму рака, важны, но без третьего процесс можно сравнить
а также и другие неврологические расстройства, с разработкой одного лишь программного обе-
и закладывает фундамент для следующих клини- спечения без аппаратного оборудования, на ко-
ческих испытаний. А в экспериментах, проведен- тором оно должно работать. СНК могут стать той
ных на животных, получены многообещающие ре- ключевой и универсальной платформой, которую
зультаты для других заболеваний, таких как спи- можно использовать при разных заболеваниях.
нальная мышечная атрофия. Это позволит фармакологии отказаться от долго-
го и сложного поиска абсолютно новых препара-
Противораковая иммунотерапия — еще одно тов для каждого лечения. В случае СНК требуется
интересное направление применения СНК. У ра- всего лишь сменить набор олигонуклеотидов для
ковых клеток на мембране часто присутствуют новой болезни. И сейчас мы уже вступили на этот
белки, которых нет у обычных клеток организма. путь.
Такие белки могут служить опознавательным зна-
ком, и если наша иммунная система обучена нахо- Кристин Ларами (Christine Laramy) получила
дить этот знак точно так же, как она может нахо- докторскую степень в области химической
дить вирус гриппа, то наш организм лучше сможет и биологической инженерии в Северо-Западном
защищать нас от рака. университете, в настоящее время работает
аналитиком в юридической фирме Latham and Watkins.
Для того чтобы сделать противораковую вакци-
ну, мы заменили золотое ядро наночастицы на ли- Чад Миркин (Chad Mirkin) — директор
посому — маленький полый пузырек, заполнили Международного института нанотехнологий,
ее одним из таких опознавательных белков и вве-
ли животным с соответствующим типом рака. профессор химии, профессор химической
Как показали некоторые из наших последних экс- и биологической инженерии, профессор
периментов, опубликованных в 2019 г. в журна- биомедицинской инженерии, профессор
ле Proceedings of the National Academy of Sciences
USA, такие СНК вызывают немедленный иммун- материаловедения и профессор медицины Северо-
ный ответ, направленный на опухоль. Видимо, Западного университета. Основатель компании
они обучают иммунную систему находить клетки
с опознавательными белками. И данный эффект Exicure, разрабатывающей сферические нуклеиновые
оказался длительным: иммунная система продол- кислоты для использования их в качестве
жала атаковать раковые клетки, даже когда СНК лекарственных препаратов.
были выведены из организма. В первых клиниче-
ских испытаниях на человеке СНК показали свою Кацпер Скакуж (Kacper Skakuj) — студент
магистратуры химического факультета Северо-

Западного университета.

78 В мире науkи | [03] март 2020

ДНК для лечения ДНК В основе СНК лежит
ядро, часто сделанное
Когда есть нарушенная ДНК и созданная на ее основе из наночастицы липосо-
матричная РНК (мРНК), которые сообщают клетке, что мы. Вокруг ядра плотно
ей делать, могут возникать болезни. Ученые могут син- закреплены специально
тезировать ДНК, которые будут специфически связы- синтезированные одно-
ваться с такими проблемными молекулами. Из синтези- цепочечные нити ДНК.
рованных ДНК формируют сферические нуклеиновые
кислоты (СНК), которые проникают в клетки и блокиру- Ядро наночастицы
ют нежелательные молекулы. Фиксатор

Н Е Д О С ТАТ К И Линейная форма Одноцепочечная ДНК
ЛИНЕЙНОЙ ФОРМЫ (олигонуклеотид) ПРЕИМУЩЕСТВО СФЕР
Первоначально использовали На поверхности СНК множе-
ДНК или РНК, организованные ство нитей ДНК формируют
в виде привычных линейных точки сцепления с фагоцитар-
цепочек. Это часто не работа- ными рецепторами клетки —
ло, поскольку такие молекулы ее «воротами». Линейные
с трудом попадали внутрь клет- молекулы могут образовать
ки или разрушались иммунной только одну такую «зацепку».
системой. Дополнительные Поэтому сферы легче попада-
ограничения связаны с тем, ют внутрь клетки.
что подобные цепочки обычно Клетка-мишень
надо вводить непосредственно
в пораженное место.

Переизбыток мРНК Пойманная мРНК Фагоцитарный
рецептор
БОЛЕЗНЬ
ПРОДОЛЖАЕТСЯ
Ничто не препятствует
молекулам РНК, связанным
с заболеванием, передавать
свои инструкции для синте-
за нежелательного белка

Нежелательные белки Меньше ПОМЕХА ЗАБОЛЕВАНИЮ
Традиционные нежела- Заданная последовательность
лекарства действуют тельных нуклеотидов в СНК специфич-
на готовые белки белков но связывается только с мРНК,
вовлеченной в развитие
заболевания, и игнорирует
другие молекулы. Как только
мРНК блокируется таким об-
разом, она перестает преда-
вать клетке команды о синтезе
вредоносных белков.

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 79

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ
80 В мире науkи | [03] март 2020

Д И А ГНОСТ И К А

Генетические
тесты для
младенцев

Сегодня мы можем проверять Результаты из лаборатории Стивена Кингсмора
новорожденных на тысячи (Stephen Kingsmore) в Институте детской геномной
генетических заболеваний, однако медицины Рэди пришли через 48 часов. У Митчел-
это не всегда полезно ла была редкая генетическая мутация гена гемо-
глобина, известная как Томс-Ривер, которая ме-
Таня Льюис шает кислороду связываться с белками в эритро-
цитах плода. Мутация получила свое название
МИТЧЕЛЛ ГОРБИ ПОЯВИЛСЯ НА СВЕТ пример- в честь города в Нью-Джерси, поскольку впервые
но в три часа дня 9 августа 2019 г. в Военно-мор- она была выявлена в 2011 г. у пациента, родивше-
ском госпитале в Сан-Диего. Ребенок выглядел здо- гося в этом городе. Мутация влияет только на ге-
ровым, и его родители, Тиффани и Райлан, были моглобин плода — уже через несколько месяцев
в восторге. Но несколько часов спустя медсестра у младенца начинает синтезироваться здоровый
заметила, что Митчелл стал вялым и совсем не пла- взрослый гемоглобин. Врачам надо всего лишь
кал, мониторы зафиксировали, что его тело полу- сделать так, чтобы Митчелл дожил до этого. Нео-
чает недостаточно кислорода. Митчелла срочно натолог из Детской больницы Рэди Джинн Кэрролл
поместили в отделение интенсивной терапии для (Jeanne Carroll) говорит, что расшифровка всего ге-
новорожденных в близлежащей Детской больни- нома позволила найти отправную точку для лече-
це Рэди, где выяснилось, что кислород не связы- ния. Она и команда лечащих врачей предписали
вался с гемоглобином и эритроциты умирали один серию переливаний крови, и ребенок резко пошел
за другим. Ребенок не брал грудь, поэтому в боль- на поправку. Почти через месяц он был достаточно
нице ему вставили трубку для искусственного здоров, чтобы отправиться домой.
кормления. Врач Митчелла назначила КТ, сканиро-
вание мозга и анализы на инфекционные заболева- Раньше для детей, которые, как Митчелл, рож-
ния, но так и не смогла выяснить, в чем дело. В ка- дались с генетическими заболеваниями, уходили
честве последнего средства она предложила сек- годы на постановку диагноза, и к тому времени ча-
венировать геном Митчелла. сто было уже слишком поздно. Однако сейчас бла-
годаря ускорению генетического секвенирования
и значительному снижению стоимости можно про-
верять ребенка на сотни и даже тысячи генетиче-
ских заболеваний, проявляющихся в детском воз-
расте. В прошедшем году несколько десятков боль-
ниц начали предлагать быстрое секвенирование
генома, чтобы помочь диагностике, если вскоре по-
сле рождения ребенок оказывается в тяжелом со-
стоянии с угрозой для жизни. Изучается вопрос,
нужно ли проводить такое ­тестирование ­каждому

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 81

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

новорожденному как стандартную скрининго- 35
вую процедуру. А такие компании, как Sema4
и BabyGenes, сейчас уже продвигают тесты непо- генетических заболеваний можно
средственно потребителю в стиле 23andMe, ори- обнаружить с помощью анализа
ентируясь на родителей, которые просто хотят крови новорожденных, проводимого
знать больше о здоровье своих детей. Ожидается, в большинстве штатов. Этот анализ
что рынок генетического секвенирования для пло- определяет фрагменты белков
да и новорожденных вырастет с 4 млрд в 2018 г. или других молекул, связанных
до 11,2 млрд к 2027 г. с поддающимися лечению

Сторонники говорят, что генетическое тестиро- 193генетическими заболеваниями
вание новорожденных поможет в неотложных слу-
чаях диагностировать опасные для жизни заболе- заболевания можно сегодня обнаружить
вания, проявляющиеся в детском возрасте. Такой с помощью анализа непосредственно
тест может обнаружить сотни и даже тысячи бо- ДНК, используя один из наиболее
лезней, что на порядок больше, чем выявляют с по- популярных коммерческих генетических
мощью анализа крови, взятой из пятки, который тестов для новорожденных — Natalis
делают всем младенцам, рожденным в США. Он от компании Sema4. Как и пяточные
также может подтвердить результаты этого ана- анализы крови, Natalis проверяет только
лиза.
1514на излечимые заболевания
Однако противники предупреждают, что гене-
тические тесты могут принести больше вреда, чем генов, каждый из которых связан
пользы. Они могут пропустить некоторые заболе- с каким-то детским заболеванием,
вания, которые определяет пяточный тест, и вы- проверяли в исследовании BabySeq.
дать ложноположительный результат для других В ходе исследования смотрели
заболеваний, вызывая беспокойство и приводя на участки ДНК, связанные
к ненужным дополнительным анализам. Секве- с излечимыми заболеваниями, на гены,
нирование ДНК детей поднимает также вопросы влияющие на чувствительность
о получении согласия и о возможности генетиче- к лекарствам, и на гены, которые
ской дискриминации. не повлияют на здоровье конкретного
ребенка, но могут передать болезнь
Несмотря на все эти опасения, генетическое те- будущим поколениям
стирование новорожденных уже проводится и, ве-
роятно, будет становиться только популярнее.
Но достаточно ли эта технология точная, чтобы
быть действительно полезной для большинства
младенцев? И готовы ли семьи и общество к этой
информации?

В 1960-х гг. микробиолог Роберт Гатри (Robert
Guthrie) разработал тест на фенилкетонурию
(ФКУ), генетическое заболевание, вызывающее
нарушение обмена аминокислоты фенилалани-
на в организме. ФКУ с легкостью купируется ди-
етой без фенилаланина, но без вмешательства
болезнь вызывает повреждения мозга и умствен-
ную отсталость. В последующие несколько лет
разные штаты начали требовать, чтобы ново-
рожденным проводился тест Гатри. Вскоре поя-
вились тесты на другие заболевания. К середине
1980-х гг. в большинстве штатов были обязатель-
ные программы скрининга. В 2002 г. правитель-
ство отправило в Американский колледж меди-
цинской генетики запрос на разработку руковод-
ства по скринингу новорожденных, в итоге была
создана рекомендованная универсальная про-
грамма скрининга — список из 35 основных забо-
леваний и 25 дополнительных излечимых. В боль-
шинстве штатов сейчас тестируют на набор этих
заболеваний.

82 В мире науkи | [03] март 2020

Сегодня известно примерно 14 тыс. ге-

нетических заболеваний человека, неко-

торые из них проявляются в детском воз-

расте, такие как ФКУ и врожденные по-

роки сердца, другие значительно позже,

как болезнь Хантингтона и наследуемые

формы рака. Некоторые детские болез-

«Каждый раз когда у вас естьни, такие как ФКУ, поддаются лечению,
если были рано диагностированы. Пя- возможность узнать о здоровье
точный тест позволяет выявить только своего ребенка, появляется
очень малую долю этих заболеваний, от- повод для волнения»
сюда и возникает привлекательность ге-
нетического тестирования.

В начале 2010-х гг. исследователи

из Национального института детско- Натали, родительница,
го здоровья и человеческого развития

и Национального института исследо- участвующая в исследовании BabySeq
вания человеческого генома запустили

программу, названную NSIGHT (сокра-

щение от Newborn Sequencing in Genomic Medicine ­более уверенно назначить ему больше перелива-

and Public Health — «Генетическое секвенирование ний и воздержаться от других тестов». Возможно,

новорожденных в геномной медицине и здоровье Митчелл выжил бы и перерос возраст действия

населения») для исследования рисков и преиму- заболевания без теста и диагноза. Но в других

ществ ДНК-скрининга новорожденных. Лаборато- случаях секвенирование, скорее всего, спасало

рия Кингсмора из института Рэди возглавила один жизни. «Более того, оно, возможно, значительно

из четырех проектов, спонсируемых NSIGHT, в ко- упростило бы диагностическую одиссею, кото-

тором изучалось использование ускоренного пол- рую приходится проходить таким детям», — гово-

ногеномного секвенирования у тяжелобольных но- рит Кингсмор.

ворожденных при подозрении на генетическое за-

болевание. Тяжелобольные младенцы — не единственные,

Обычное секвенирование может занять неде- кто может получить пользу от генетического те-

ли, но при использовании метода ускоренного стирования. В другом проекте в рамках NSIGHT

секвенирования и программ, которые сопоста- изучали возможность использовать секвениро-

вят геном с характеристиками болезни пациен- вание в медицинских учреждениях для скри-

та, команда Кингсмора получает генетический нинга новорожденных без заметных признаков

диагноз за день-два. Для этих младенцев часы б­ олезни.

или дни могут оказаться гранью между жизнью Для этого проекта, названного BabySeq, Ро-

и смертью. Первое из двух исследований, прове- берт Грин (Robert Green) из Больницы «Бригам энд

денных Кингсмором, проходило с 2014 г. до 2016 г. У­ именс», Алан Бэггс (Alan Beggs) из Гарвардской

в Детской больнице милосердия в Канзас-Си- медицинской школы и их коллеги набирали семьи

ти. Второе длилось с 2017 г. по 2019 г. в Детской и случайным образом назначали младенцам из по-

больнице Рэди. В прошлом году лаборатория ловины семей геномное секвенирование. Ученые

начала предлагать секвенирование новорож- разработали список из примерно 1,5 тыс. генов,

денных в 23 больницах по всей стране, и кон- которые имеют тесную связь с болезнями, начи-

грессмены из Калифорнии внесли федеральный нающимися в детстве или в подростковом возрас-

законопроект о покрытии стоимости секвениро- те, а затем сообщили всю информацию об этих ге-

вания для младенцев, находящихся в критиче- нах родителям. Их целью было провести наиболее

ском состоянии, из средств программы страхо- всестороннюю проверку — увидеть все связанное

вания Medicaid. По состоянию на ноябрь 2019 г. с рисками генетического тестирования, что только

Кингсмор и его коллеги секвенировали ДНК бо- можно обнаружить. В прошлом январе исследова-

лее 1,1 тыс. младенцев с подозрением на генети- тели сообщили о секвенировании геномов 159 но-

ческие заболевания. Примерно каждый третий ворожденных, в основном здоровых, но также было

из них получил диагноз, и у каждого четвертого несколько больных из отделения интенсивной те-

в результате изменилось лечение. рапии. Ученые обнаружили, что 9,4% из здоровой

Митчелл Горби был одним из тех, чьи ге- группы имели риск развития детских заболева-

номы были секвенированы в больнице Рэди ний, о которых не было известно из медицинской

(но не в рамках программы NSIGHT ). Неонатолог или семейной истории, и 88% были носителями ре-

Кэрролл сказала, что информация «помогла нам цессивных заболеваний.

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 83

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

Итак, сочли ли родители, что тестирование лет и излечимых с помощью лекарств, диет или
было полезным? У матери по имени Натали, по- другого вмешательства. Компания предоставля-
просившей не называть ее фамилии для сохра- ет родителям результаты во время генетического
нения конфиденциальности, есть сын, записан- консультирования через четыре-шесть недель по-
ный в программу BabySeq. Натали — врач и жи- сле теста. Директор Sema4 Эрик Шадт (Eric Schadt)
вет в Вашингтоне. Она признает, что переживала говорит, что тест может определить варианты ге-
по поводу тестирования. «Если у вас появляется нов, связанные с болезнью, с вероятностью 99%.
возможность узнать о здоровье своего ребенка, по- Sema4 сообщает только о тех болезнях, у которых
является причина для беспокойства», — говорит пенетрантность (частота случаев заболевания при
она. Но в целом они с мужем довольны проектом. наличии именно этого варианта гена) составляет
«Поскольку ищут только генетические нарушения, более 80%. Sema4 сообщает также о чувствитель-
которые проявляются в детстве, и только такие, ности ребенка к определенным лекарствам, хотя
для которых есть профилактические меры, нам FDA в последнее время давит на компании, чтобы
кажется, что это может быть потенциально полез- они не предоставляли такую информацию, потому
но», — говорит Натали. что, по словам управления, оно не проверяло эти
тесты и они могут быть не подтверждены клини-
К счастью, по результатам анализов у ее сына чески.
Расселла не выявили никаких детских генети-
ческих заболеваний. Тесты показали, что он мо- Другая компания, BabyGenes, предлагает тест,
жет быть носителем рецессивного метаболическо- который проверяет 100 генов на более чем 72 забо-
го расстройства, называемого болезнь Гоше, одна- левания. Тест проводится в виде анализа соскоба
ко при секвенировании этого гена особенно часто с внутренней поверхности щеки либо капли кро-
получается ошибочный результат, поэтому пона- ви и стоит $349.
добятся дополнительные исследования для под-
тверждения. Другим семьям преимущества сек- Шадт признает, что в Sema4 не знают, прино-
венирования более очевидны: у одного ребенка сит ли предлагаемое тестирование пользу па-
нашли заболевание, пропущенное стандартным циентам, хотя, по его словам, компания прово-
скринингом, которое лишает тело возможности дит исследования для выяснения этого вопроса.
перерабатывать витамин биотин; при отсутствии Есть причины для сомнений. Точность опреде-
лечения это может вызвать кому и смерть, но про- ления болезней с помощью тестов еще не очень
блема легко исправляется специальными добавка- высока. В третьем проекте NSIGHT, которым ру-
ми к пище. ководят Дженнифер Пак (Jennifer Puck), Барба-
ра Кениг (Barbara Koenig) и Пуи Ян Квок (Pui-Yan
Несмотря на то что BabySeq изначально фокуси- Kwok) из Калифорнийского университета в Сан-
ровался только на заболеваниях, проявляющихся Франциско, исследователи секвенировали ДНК
в детском возрасте, у одного из младенцев в иссле- сухих капель крови новорожденных, оставших-
довании был обнаружен вариант гена BRCA2, ко- ся после пяточного теста (в Калифорнии данный
торый ассоциирован с высоким риском рака гру- тест проводят с начала 1980-х гг.). Хотя секвени-
ди и других видов рака, поэтому исследователи рование выявило отдельные генетические забо-
спросили у родителей, хотят ли они получить ин- левания, которых нет в стандартном списке для
формацию о рисках заболеваний, развивающихся скрининга, оно пропустило некоторые из тех, ко-
во взрослом возрасте. Натали и ее муж предпоч- торые стандартный скрининг определяет. Было
ли не получать эту информацию, но сказали, что обнаружено также множество генетических вари-
оставят выбор за Расселлом, если он захочет прой- антов, значение которых непонятно. Пак говорит:
ти тестирование, когда будет старше. «Мы чув- «Скрининг новорожденных значительно отлича-
ствовали, что такое решение должен принять наш ется от ситуации, когда перед тобой находится
сын», — говорит Натали. больной младенец, которому ты пытаешься подо-
брать диагноз».
Из-за своих сложности и цены BabySeq никог-
да не предполагался как возможное дополнение Однако если комбинировать анализ ДНК
к стандартному скринингу новорожденных. «Мы со стандартным скринингом, то количество
не пытались продвигать его в клиническую прак- ложноположительных результатов уменьшит-
тику», — говорит Грин из Больницы «Бригам энд ся. По мнению Пак, секвенирование может быть
Уименс». Но секвенирование генома уже больше дополнением к стандартному скринингу в слу-
не ограничено медицинскими учреждениями. Не- чае ненормального результата, но она не дума-
которые компании сегодня предлагают ДНК‑тесты ет, что его стоит использовать для всех здоровых
для новорожденных непосредственно населению. детей. «Мы просто пока еще не можем интерпре-
Компания Sema4 продает за $379 тест, который, тировать последовательность генома с достаточ-
как утверждается, проверяет на более 190 генети- ной прогностической значимостью, чтобы уве-
ческих заболеваний, проявляющихся до ­десяти ренно утверждать, есть болезнь или нет», — от-
мечает она.

84 В мире науkи | [03] март 2020

Еще один вопрос, который волнует врачей и экс- достоянием только привилегированных слоев.
пертов по медицинской этике, — это вероятность, И расовая однородность может исказить резуль-
что генетическое тестирование вызовет ненужное таты: болезни, более распространенные среди бе-
беспокойство родителей о болезнях, которые могут лых, могут быть лучше представлены в списках те-
проявиться в более позднем возрасте или не поя- стов, чем болезни, распространенные среди расо-
виться совсем. «Когда дело касается генетической вых меньшинств. В новых проектах по изучению
информации о собственном ребенке, многие люди медицинских данных исследователи намеревают-
не в состоянии правильно интерпретировать зна- ся решить проблему такого неравенства (подроб-
чение результатов», — говорит Нита Фарахани нее см. в статье «Все мы» на с. 88).
(Nita Farahany), профессор права и философии
Школы права Дюкского университета, эксперт В рамках проекта NSIGHT в Калифорнийском
в области генетики и биоэтики. «Если им сказа- университете в Сан-Франциско работала груп-
ли, что у их ребенка риск [развития какого-либо па, изучавшая этические и политические пробле-
заболевания] в четыре раза больше, чем обычно, мы, которая в 2018 г. представила свой доклад в Га-
а средний риск по популяции 1%, то как им взаи- стингс-центре, некоммерческом институте био­
модействовать со своими детьми?» В США уже сей- этики в Гаррисоне, штат Нью-Йорк. В докладе был
час не хватает генетических консультантов, поэ- сделан вывод, что секвенирование генома ново-
тому будет недостаточно людей, способных объяс- рожденных может быть очень полезно при поста-
нить родителям результаты генетических тестов новке диагноза больным младенцам и позволяет
их детей. выявить больше заболеваний, чем существующий
скрининг. Но использование секвенирования гено-
Возникнет и вопрос приватности. Если гене- ма в качестве замены скринингу новорожденных,
тическая информация ребенка хранится в виде по словам авторов, «в лучшем случае преждевре-
файла, у кого есть к нему доступ? Если информа- менно», а секвенирование с предоставлением ре-
ция становится публичной, это может привести зультатов напрямую потребителю не следует ис-
к дискриминации работодателями или страхо- пользовать в диагностических или скрининговых
выми компаниями. Закон о запрете генетической целях.
дискриминации, принятый в 2008 г., запрещает
подобную дискриминацию. Но закон не распро- Барбара Кениг, профессор медицинской антро-
страняется на работодателей, у которых менее пологии и биоэтики в Калифорнийском универси-
15 сотрудников, и не касается страхования в слу- тете в Сан-Франциско и один из соавторов докла-
чае долговременного ухода, смерти или инвалид- да, подчеркивает, что хотя секвенирование много-
ности. Его действие не распространяется также обещающе, оно еще недостаточно полноценно для
на людей, устроенных на работу и застрахован- того, чтобы планово использоваться в скрининге
ных по военной системе страхования Tricare, та- здоровых детей. «Эта технология не готова к широ-
ких, например, как Райлан Горби. Когда геном его кому применению на здоровых младенцах», — го-
сына был секвенирован, исследователи получили ворит Кениг.
разрешение секвенировать также и геном Райла-
на, чтобы определить, был ли он носителем редкой Несмотря на эти сомнения, эра секвенирования
мутации гемоглобина. Поскольку это заболевание новорожденных уже наступила, и применение сек-
проявляет себя только в детстве, Горби решил, что венирования, вероятно, будет расширяться, по-
риск возможной дискриминации невелик и не пе- скольку цены снизятся, а результаты станут более
ревешивает пользу от прохождения теста. точными и полезными. В то же время риски и пре-
имущества секвенирования должны взвешивать-
Секвенирование в клинике стоит от $500 ся отдельно для каждого. Ситуации с тяжелоболь-
до $800, а интерпретация может быть дороже ными младенцами принципиально отличаются
$1 тыс. Семьям, которые не могут позволить себе от тех, когда у внешне здорового ребенка имеются
медицинское страхование, такая стоимость не по обеспокоенные родители, восприимчивые к марке-
карману. Некоторые эксперты высказывают опасе- тингу фирм, предлагающих генетические тести-
ния, что генетическое тестирование может приве- рования.
сти к множеству последующих обследований спе-
циалистами, что перегрузит систему здравоох- В случае Митчелла Горби секвенирование одно­
ранения, которой и так уже не хватает ресурсов. значно себя оправдало. Покинув больницу, че-
Если секвенирование в долговременной перспек- рез два месяца он хорошо себя чувствовал и удво-
тиве окажется выгоднее, то страховые компании ил свой вес. Его родители привыкают к новому ре-
покроют расходы. жиму дня, немного недосыпают, но они счастливы
быть дома со своим здоровым сыном.
Еще одна проблема заключается в том, что боль-
шинство секвенирований генома на сегодня были Таня Льюис (Tanya Lewis) — помощник редактора
сделаны в белых семьях с высоким доходом. Воз- по тематике здоровья и медицины в Scientific
никают опасения, что эта процедура может стать American.

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 85

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

Достижения «ГЛИБЕРА». Первый препарат генной терапии,
генетической одобренный в Евросоюзе, лечил дефицит липопро-
терапии теинлипазы — редкое наследственное заболева-
ние, которое может привести к тяжелому панкреа-
После нескольких фальстартов титу. Препарат вставляет ген липопротеинлипазы
препараты, влияющие на гены, в мышечные клетки. Но из-за того что это заболе-
наконец смогут изменять жизни вание проявляется у очень малого числа пациен-
людей тов, препарат оказался убыточным. К 2017 г. про-
изводитель отказался продлевать регистрацию
Джим Дэли препарата; «Глибера» ушла с рынка.

ВПЕРВЫЕ ИДЕЯ об использовании в медицине «ИМЛИГИК». Препарат был одобрен в Китае,
генной терапии, то есть замены мутировавшего бо- США, ЕС для лечения меланомы у пациентов с ре-
лезнетворного гена на здоровый, была опубликова- цидивом поражения кожи после первой операции.
на в 1972 г. После многолетних спорных результа- «Имиглик» — это генетически модифицированный
тов, неудач в лечении и нескольких смертей в ходе вирус. Непосредственно в опухоль с помощью ви-
экспериментальных испытаний первый препарат русного вектора вводится ген, который реплици-
генной терапии для одного из видов рака кожи был руется и запускает синтез белка, стимулирующего
одобрен в Китае в 2003 г. Однако остальной мир иммунную систему убить раковые клетки.
не был убежден в его полезности, и в США одобри-
ли один из подобных препаратов только в 2017 г. «КИМРАЙА». Препарат, разработанный для па-
С тех пор темпы согласования значительно ускори- циентов с В-клеточным острым лимфобластным
лись. Было одобрено по меньшей мере девять пре- лейкозом — видом рака, поражающим лейкоци-
паратов генной терапии для определенных видов ты у детей и подростков. «Кимрайа» был одобрен
рака, некоторых вирусных инфекций и нескольких в США в 2017 г. и в ЕС в 2018 г. Препарат вставля-
наследственных заболеваний. Появились препара- ет новый ген в Т-лимфоциты пациента, давая им
ты, которые блокируют работу дефектных генов, ис- возможность находить и убивать раковые клетки.
пользуя цепочки ДНК или РНК.
«ЛУКСТУРНА». Препарат, одобренный в США
Введение генов в клетку в 2017 г. и в ЕС в 2018 г., предназначен для лечения
редкой формы наследственной слепоты, которая
Такие препараты используют безвредный вирус называется «ретинальная дистрофия, связанная
для переноски полезного гена внутрь клеток, затем с биаллельной мутацией в гене RPE65». Эта болезнь
вирус вставляет ген в существующий геном и вли- имеется примерно у 1–2 тыс. пациентов в США,
яние вредоносной мутации в другом гене прекра- у которых мутация присутствует в обеих копиях
щается. этого гена. «Лукстурна» доставляет нормальную ко-
пию RPE65 в клетки сетчатки пациентов, позволяя
«ГЕНДИЦИН». Китайские органы государствен- им синтезировать белок, необходимый для превра-
ного регулирования одобрили в 2003 г. первую щения света в электрические сигналы, и таким об-
коммерчески доступную генную терапию для ле- разом восстанавливает зрение.
чения одной из форм рака кожи — плоскоклеточ-
ной карциномы головы и шеи. «Гендицин» — вирус, «СТРИМВЕЛИС». Каждый год в Европе диагно-
созданный для переноски гена, несущего инструк- стируют около 15 случаев тяжелого иммунодефи-
ции для синтеза белка, борющегося с опухолями. цита, вызванного редким наследственным заболе-
Вирус вставляет ген в клетки опухоли, заставляя ванием — дефицитом аденозиндиаминазы (АДА).
их увеличивать экспрессию генов, подавляющих Организм этих пациентов не может синтезировать
работу опухоли, и факторов иммунного ответа. фермент АДА, который необходим для здоровья
Этот препарат все еще ожидает одобрения в США. лейкоцитов. «Стримвелис» одобрен в ЕС в 2016 г.
Для лечения ген, ответственный за синтез АДА,
вводят в стволовые клетки, взятые из костного моз-
га пациента. Затем эти клетки возвращают в кро-
воток, по которому они перемещаются в костный
мозг и начинают производить нормальные белые
кровяные клетки, способные синтезировать АДА.

«ЕСКАРТА». Разработана для лечения В-круп­
ноклеточной лимфомы, была одобрена в США
в 2017 г. и в ЕС в 2018 г. Сейчас препарат ­проходит

86 В мире науkи | [03] март 2020

клинические испытания в Китае. (с ­ограничениями) в США и ЕС в 2017 г. для
В-крупноклеточная лимфома поража- лечения тяжелых случаев веноокклюзивной
ет белые кровяные клетки — лимфоциты. болезни. Это заболевание, при котором у па-
При лечении используется подход, извест- циентов, перенесших трансплантацию кост-
ный как CAR-T-клеточная терапия. С помо-
щью вируса в Т-лимфоциты пациента вне- ного мозга, происходит обструкция венул
дряют ген, кодирующий белок химерных ан- в печени.
тигенных рецепторов (CAR). Когда эти клетки
возвращают в организм пациента, CAR помо- «ЭКСОНДИС 51». В 2016 г. в США одобре-
гают им атаковать и убивать раковые клетки но использование «Эксондис 51», несмо-
в кровотоке. тря на разногласия относительно его эф-
фективности; два члена экспертной груп-
«ЗОЛДЖЕНСМА». В мае 2019 г. в США одо- пы FDA подали в отставку в знак протеста
брено использование «Золдженсмы» для де-
тей младше двух лет со спинальной мышеч- против этого решения. Предназна-
ной атрофией, нейромышечным заболевани- чен для лечения одной из форм
ем, от которого страдает примерно 1 из 10 тыс. мышечной дистрофии Дюшенна.
человек по всему миру. Это одна из лидиру- Воздействует на мутантную РНК,
ющих генетических причин младенческой
смертности. «Золдженсма» вставляет здоро- кодирующую белок, который помо-
вую копию человеческого гена SMN-белка гает присоединять цитоскелет мы-
в мотонейроны пациента при однократном шечных волокон к внеклеточному ма-
применении лекарства. триксу. «Эксондис 51» эффективно вы-
лечивает примерно 13% больных.
«ЗИНТЕГЛО». Получивший одобрение
в ЕС в мае 2019 г. «Зинтегло» лечит бета-та- «КИНАМРО». Одобренный в США
лассемию — заболевание крови, при кото- в 2013 г. «Кинамро» был разработан для
ром снижается способность синтезиро- подавления или эффективного сниже-
вать гемоглобин (железосодержащий бе- ния синтеза белка, который участвует
лок в эритроцитах) и возникает опасная в производстве липопротеинов низкой
для жизни анемия. Препарат был одобрен плотности (ЛПНП). Этот препарат вво-
для пациентов 12 лет и старше, которым дится под кожу и используется для сни-
требовались регулярные переливания кро- жения уровня ЛПНП у пациентов с опас-
ви. С помощью вируса в стволовые клетки, но высоким уровнем холестерина.
взятые у пациента, вводят здоровые копии
гена для синтеза гемоглобина. Затем эти «МАКУГЕН». Возрастная макулоди-
клетки возвращаются в кровоток и транс- строфия выступает одной из основных
портируются в костный мозг, где они начи- причин потери зрения у людей старше 60.
нают создавать здоровые эритроциты, способ- Она вызвана ухудшением состояния цен-
ные синтезировать гемоглобин. тра сетчатки из-за подтекания кровенос-
ных сосудов. Одобренный в США «Маку-
Вмешательство в работу генов
ген» блокирует врастание этих сосудов
При этом подходе используют специально син- под сетчатку, таким образом вылечивая
тезированные нити РНК или ДНК (олигонукле- заболевание.
отиды), которые, попадая в клетки пациента,
могут прикрепиться к специфичному гену «СПИНРАЗА». Получив в 2016 г. одо-
или соответствующей ему мРНК, эффектив- брение FDA, «Спинраза» стала первой
но инактивируя их. Некоторые типы лечения генной терапией для спинальной мы-
используют антисмысловой метод, назван- шечной атрофии. Это наследственное
ный в честь одной из цепей ДНК, а другие ис- заболевание, вызванное низким уров-
пользуют маленькие цепочки РНК, которые нем SMN, ключевого белка, необходимого
блокируют мРНК с инструкциями, идущие для поддержания работы мотонейронов.
от гена к месту синтеза белка. «Спинраза» связывается с мРНК-копией
«резервного» гена SMN2, превращая эту
«ДЕФИТЕЛИО». Этот препарат содер- мРНК в инструкцию для синтеза нормально
жит смесь одноцепочечных олигонуклео- функционирующих белков.
тидов, полученных из слизистой оболоч-
ки кишечника свиней. Он был одобрен Джим Дэли (Jim Daley) — внештатный
журналист из Чикаго.
w w w.sci-ru.org
[03] март 2020 | В мире науkи 87

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ
88 В мире науkи | [03] март 2020

БОЛЬШИЕ ДАННЫЕ

Все мы

Чтобы избежать неравенства, от 1,7 млн индивидуальных геномов, проанали-
генная терапия должна учитывать зированных к тому времени. Разнообразие было
многообразие меньшинств, и для очень низким. За несколько последующих лет си-
этого создан большой генетический туация не стала лучше, и только четыре года на-
проект зад баланс начал восстанавливаться. Но евро-
пейцы все еще представлены значительно луч-
Стефани Девани ше, чем кто-либо еще.

КОГДА ПРИМЕРНО 20 ЛЕТ НАЗАД гонка «кто Такое неравенство, если его не исправить, при-
первый секвенирует полный геном человека» по- ведет к неравенству и в здравоохранении. Сейчас
дошла к финишу, я была совершенно заворожена все больше и больше людей узнают о причинах
происходящим. Начиналось новое столетие, и ка- своих заболеваний потому, что врачи могут найти
залось — еще чуть-чуть, и мы узнаем про жизнь эту информацию в геноме. Существуют сотни ле-
все, что записано в ДНК. Я была тогда студенткой, карств, которые учитывают вашу генетическую
очарованной наукой, и думала, что как только мы информацию, поскольку гены влияют на то, как
выстроим в линию все 3,1 млрд пар оснований, со- препарат будет действовать на организм. А знание
ставляющих наш геном, так сразу поймем все, что генетических особенностей позволит врачам луч-
нам нужно знать о человеческом здоровье и бо- ше подобрать необходимую дозу. Кроме того, чем
лезнях. больше мы узнаем сейчас о генетических факто-
рах разных форм рака, тем проще врачам будет
В то первое десятилетие я даже не подозрева- их диагностировать и лечить в будущем. Однако
ла, как много людей осталось за бортом генети- если вы не белый мужчина, то у вас будет другой
ческой медицины. Поэтому через несколько лет, набор генов и вам может не подойти такой способ
сразу после того как защитила диссертацию в об- лечения.
ласти молекулярной генетики, я была пораже-
на, когда исследователи из Дюкского универси- Например, астма в США чаще всего встречается
тета объявили, что 96% данных по геному полу- у афроамериканцев и латиноамериканцев, однако,
чено от людей европейского происхождения. Это по данным исследований, обычные ингаляцион-
не было эффектом малых чисел. Это была доля ные лекарства не помогают им так же хорошо, как
белым американцам. Азиатам опаснее принимать
противосудорожный препарат карбамазепин: это
может привести к серьезным последствиям, в том
числе и смерти. Никто из тех, кто разрабатывал
или назначал эти препараты в самом начале их
использования, не мог предугадать подобные про-
блемы. Если ДНК — действительно один из важ-
ных факторов при поиске ­более ­эффективного

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 89

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

Неравенство в генетических ­лечения, то нам надо решить проблему
исследованиях с разнообразием в генетических данных.

По состоянию на 2018 г., чтобы установить связь между генами и риском Я надеюсь, что этому поможет исследо-
заболевания, ученые уже провели сотни исследований, которые назы- вательская программа «Все мы» (All of Us),
ваются полногеномным поиском ассоциаций (genome-wide association которой я занимаюсь. Она была запуще-
studies, GWAS), где изучили ДНК тысяч разных людей. Однако в этих иссле- на в 2018 г. Национальными институтами
дованиях расы были представлены неравномерно. Среди всех участни- здравоохранения. Мы просим более милли-
ков 78% были белыми европейского происхождения, и лишь 2% имели аф- она людей из разных групп присоединиться
риканское и 1% — латиноамериканское происхождение. Эти исследования к нашему проекту в качестве не просто объ-
в основном сконцентрированы на европейской части популяции и реже ектов, но партнеров по исследованию, ко-
на других. Поэтому в таких работах редко попадается генетический вари- торые будут делиться с нами полной меди-
ант, который может быть связан с тем или иным заболеванием у неевро- цинской информацией на протяжении всей
пейской части населения. Из-за такой неполноты данных трудно анализи- жизни. У нас уже есть 250 тыс. участников.
ровать и понимать значение разных генетических вариантов. Более 51% из них представляют расовые
и этнические меньшинства, более 10% —
Расовые группы в опубликованных исследованиях сексуальные и гендерные меньшинства,
по поиску ассоциаций а в целом более 80% участников относится
к тем группам, которые раньше были недо-
Доля (%) Отдельные люди Исследования* статочно представлены в исследованиях.
100 Не указано
Людям, которые хотят присоединить-
Сложное, но не европейское ся к программе, надо зайти на наш сайт
(www.joinallofus.org) и кликнуть на «Присое-
Сложное, диниться сейчас» (Join Now). Согласившись
90 в том числе европейское участвовать, люди могут предоставить нам
информацию из своих медицинских карт,
Большой Ближний Восток / заполнить различные опросники о здо-
Коренные американцы / ровье и образе жизни, а также поделить-
Океания ся другими показателями: например, мож-
Другое и смешанное но синхронизировать данные своего фит-
80 Латиноамериканцы нес-браслета с нашей программой. У нас
есть сотни регистрационных точек в мест-
Африканцы ных больницах и центрах здоровья по всей
70 Другие азиаты стране, где участники могут сдать кровь
и мочу, чтобы исследователи могли изу-
60 Восточноазиаты чить их ДНК. Мы надеемся, что эти люди
Европейцы останутся с нами на протяжении десяти
лет или даже больше, потому что по мере
50 развития проекта мы постоянно предлага-
ем участникам новые способы узнать о себе
40 и внести свой вклад в исследование.

30 Подходящий момент

20 Во многом такое сотрудничество участни-
ков и исследователей связано с развитием
* Эти столбики технологий. Первое секвенирование челове-
показывают долю ческого генома обошлось в $1 млрд. Сегодня
исследований, в которых подобная задача решается за сутки и стоит
10 было представлено менее $1 тыс. Стало легче объединить эту
информацию и другие важные медицинские
соответствующее сведения. Организации здравоохранения
происхождение. В каталоге начали переводить бумажные карты своих
GWAS содержатся только пациентов в электронный формат. По состо-
работы, опубликованные янию на 2017 г. сертифицированную элек-
0 на английском языке. тронную систему записи использовали 96%
больниц в США и 80% врачей, принимаю-
щих амбулаторно. Новые приложения для
смартфонов и других устройств, таких как
«умные» часы, ­позволяют ­собирать данные

90 В мире науkи | [03] март 2020

непосредственно от человека и практически Доля участников*Неравенство
из любой точки мира. Эти достижения упро- компенсировано
щают процесс сбора, хранения и обработки
большого объема данных для поиска отве- В новом проекте точной медицины «Все мы» участвуют большие
тов на вопросы о причинах и последстви- группы той части населения, которая была плохо представлена
ях разных заболеваний. С другой стороны, в предыдущих генетических исследованиях. Эта программа, фи-
подобные тенденции порождают большие нансируемая Национальными институтами здоровья, начала на-
и важные вопросы о приватности. Для та- бирать участников в 2018 г. К октябрю 2019 г. их было уже больше
кого проекта, как наш, очень важно иметь 250 тыс., среди которых более 20% были афроамериканцами или
надежную защиту и полную прозрачность африканцами, около 18% — латиноа­ мериканцами и испанцами,
для участников. около 3% — азиатами и 6,7% — смешанных рас. Чуть меньше по-
ловины — белые. Цель проекта — собрать генетические данные
Еще очень важно относиться к этим лю- и другие показатели здоровья более чем у 1 млн человек.
дям как к партнерам. В прошлом такие дей-
ствия медицинских исследователей, как ис- 60
следование сифилиса в Таскиги, где ученые
обманули группу больных сифилисом аф- 50
роамериканцев, оставив их без адекватного Белые
лечения, или широкое использование кле-
ток линии HeLa, которые были взяты у па- 40
циентки Генриетты Лакс (Henrietta Lacks)
без ее ведома и разрешения, подорвали до- 30
верие меньшинств. Люди хотят видеть, как Афроамериканцы и африканцы
продвигается исследование с ними, а не
о них. Чтобы преодолеть недоверие, мы ис- 20 Латиноамериканцы и испанцы
пользуем новую модель работы, основан-
ную на сотрудничестве испытуемых и ис- 10 Более чем одна раса/национальность
следователей с учеными степенями. Участ- Другие† Азиаты
ники входят в состав консультативных Не указано
и руководящих советов, рабочих и целе-
вых групп. Мы сотрудничаем и советуем- 0
ся также с местными организациями здра- * Состояние на 9 октября 2019 г. Испытуемым было
воохранения, больницами и общественны- предложено выбрать все подходящие категории.
ми группами, которые помогают нам найти † Эта группа включает в себя следующие категории:
участников исследования. Такое объедине- американские индейцы или коренные жители Аляски;
ние не часто встречается в крупных меди- люди средневосточного или североафриканского
цинских проектах, и мы еще учимся, как происхождения; коренные гавайцы или жители других
лучше это организовывать. тихоокеанских островов; ничего из перечисленного.

Есть несколько исследований, которые
мы использовали в качестве примера, что-
бы заложить базу для развития желаемых
долговременных отношений, исследова-
ний, которые меняют медицину к лучшему.
В частности, таково Фремингемское иссле-
дование сердца, которое началось в 1948 г.
на 5 тыс. преимущественно белых мужчин
и женщин в одном городке в штате Масса-
чусетс. 99% из них продолжают участво-
вать в исследовании и по сей день. По мере
того как участники из года в год предостав-
ляют данные, исследователи могут наблю-
дать, как меняется состояние их сердец
с течением времени. В этом исследовании
были выявлены такие факторы риска, как
высокое кровяное давление, высокий уро-
вень холестерина, курение и ожирение.
Это настолько вошло в наши коллектив-
ные представления о здоровье, что ­кажется
о­ чевидным.

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 91

РЕВОЛЮЦИЯ В ГЕННОЙ ТЕРАПИИ

Дальнейший путь еда, ­испытываемый стресс и другие кли-
нические и биологические факторы, но мы
Такие медицинские открытия мы плани- не знаем в какой степени. Если мы посмо-
руем увидеть и в нашем проекте, но хо- трим на некоторые наиболее распростра-
тим пойти еще дальше — чтобы у нас были ненные в популяции хронические заболе-
не только белые участники, но и все воз- вания, такие, например, как гипертония,
можное многообразие людей. Мы не пла- то увидим, что многие из них непропор-
нируем ограничиваться расовыми ярлы- ционально сильно поражают людей, нахо-
ками, за которыми могут скрываться очень дящихся в социально или экономически
разные группы. Если мы разберемся в пер- уязвимом положении. И в данный момент
вопричинах нашего здоровья и болезней, можно уверенно говорить, что ни раса, ни
то поймем, в чем наши сходство и разли- национальность сами по себе не становятся
чия. Например, есть серповидно-клеточная определяющим фактором. На риск возник-
анемия — болезнь, возникающая, если че- новения заболевания влияют состав семьи,
ловек унаследовал два мутантных гена ге- социоэкономический статус, такие факто-
моглобина, белка, переносящего кислород. ры стресса, как травма, половое и гендерное
Ею болеют 100 тыс. афроамериканцев и бо- неравенство, наличие полноценного пита-
лее 20 млн человек по всему миру. С дру- ния, доступность врачебной помощи и мно-
гой стороны, серповидно-клеточная ано- гие другие обстоятельства, которые можно
малия, возникающая, если мутация есть оценить по данным, полученным в проекте
только в одном гене гемоглобина, дает лю- «Все мы».
дям определенные преимущества, делая их
устойчивыми к малярии. Это имеет смысл, В ближайшие несколько лет нам надо
если ваши предки жили в Африке, где бушу- сопоставить обширную информацию
ет малярия. Однако новые исследования по- об участниках с их геномными данными.
казывают, что серповидно-клеточная ано- Как только это будет сделано, мы вместе —
малия — не такая безобидная, как счита- ученые, участники проекта «Все мы» и все
лось ранее, она увеличивает риск болезни вы — получим более ясное представление
почек. Некоторые афроамериканцы более о том, как гены и окружающая среда вли-
подвержены такому риску, а некоторые ме- яют на развитие болезней и, главное, что
нее. Нам еще предстоит узнать, почему это с этим можно сделать.
так и как взаимодействие разных вариан-
тов генов влияет на здоровье людей с серпо- Стефани Девани (Stephanie Devaney) —
видно-клеточной аномалией. Информация, молекулярный генетик, заместитель
полученная из ДНК миллиона участников
проекта «Все мы», поможет ученым узнать руководителя исследовательской программы
намного больше о таких сложных призна- Национальных институтов здоровья «Все
ках, как этот. мы» (All of Us). Была ведущим сотрудником
в Инициативе Белого дома в сфере точной
Мы должны начать с широких категорий, медицины.
чтобы набрать достаточно людей, среди ко-
торых можно будет разглядеть более мелкие Перевод: М.С. Багоцкая
группы. Сейчас мы уже даже перевыпол-
нили нашу задачу. Например, в США 13% СПЕЦРЕПОРТАЖ
граждан — афроамериканцы, однако в пре-
дыдущих геномных исследованиях их было И
всего 3%. Среди участников нашего проек-
та афроамериканцев уже 21,5%. Аналогич- ScientificAmerican.com/
но с латиноамериканцами: среди жителей InnovationsIn/dna-drug-revolution
США их 18%, но в базе геномных данных —
менее 1%. Среди участников проекта «Все
мы» латиноамериканцев 17,6%.

Такое разнообразие поможет больше уз-
нать, как ДНК влияет на здоровье у пред-
ставителей разных сообществ, однако мы
обращаем внимание не только на эту моле-
кулу. Когда речь идет о заболеваниях, по-
мимо генов важную роль играют еще мно-
гие другие факторы. Мы знаем, что на здо-
ровье влияют место вашего рождения, ваша

92 В мире науkи | [03] март 2020



ОБ АВТОРЕ

Кристоф Кох (Christof Koch) — начальник научного отдела
и президент Института Аллена по исследованию мозга, науч-
ный консультант журнала Scientific American.

Пруст средиСОЗНАНИЕ
машин

Уровень компьютерного интеллекта может
приблизиться к человеческому уже на нашем

веку. Но смогут ли компьютеры осознанно
воспринимать окружающий мир?

Кристоф Кох

тремительно приближается то время, когда мыслительные
способности компьютеров достигнут человеческого уровня.
Алгоритмы машинного обучения (МО) становятся все более
мощными, и мы чувствуем, как они уже дышат нам в заты-
лок. Благодаря стремительному прогрессу в ближайшие де-
сятилетия появятся машины с интеллектом человеческого
уровня, способные говорить и размышлять, которые внесут
громадный вклад в экономику, политику и в военное дело. Рождение настоящего ис-
кусственного интеллекта неизбежно повлияет сильнейшим образом на будущее че-
ловечества, в том числе на то, будет ли оно у нас вообще.

Вот две цитаты в качестве наглядного примера: ­ограничивались в основном принятием простых Illustration by Gérard Dubois
«С тех пор как в конце 1940-х гг. произошел по- решений или выполнением простых операций
следний большой прорыв в области искусственно- с относительно небольшими наборами данных».
го интеллекта, ученые всего мира искали способы
его использования для совершенствования техно- Эти два абзаца написал GPT-2, языковый бот, ко-
логий, чтобы выйти за рамки того, чего может до- торого я опробовал прошлым летом. Бот был раз-
стичь сегодня самая сложная программа искус- работан расположенной в Сан-Франциско орга-
ственного интеллекта». низацией OpenAI, продвигающей дружественный
«Даже сейчас идут исследования, чтобы выяс- ИИ. GPT-2 — это алгоритм МО с дурацкой на пер-
нить, что новые программы искусственного ин- вый взгляд задачей: ему дают произвольный на-
теллекта смогут делать, оставаясь в рамках те- чальный текст, а он должен предсказать следую-
кущего уровня интеллекта. Большинство про- щее слово. Сеть не учат «понимать» написанное
грамм ИИ, созданных до настоящего времени, в сколько-нибудь человеческом смысле. В процес-
се обучения бот настраивает внутренние ­связи

94 В мире науkи | [03] март 2020

Сознание

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 95

Сознание

в своих искусственных нейронных сетях так, что- д­ остигнут того, что на жаргоне программистов на-
бы лучше всего предсказывать следующее слово. зывается «общий искусственный интеллект» (ОИИ).
После обучения на материале 8 млн веб-страниц
он содержит более миллиарда соединений, ими- Непонятно другое: будет ли ОИИ что-нибудь чув-
тирующих синапсы, соединяющие нейроны. Ког- ствовать? Смогут ли программируемые компьюте-
да я ввел первые несколько предложений статьи, ры когда-нибудь обрести сознание?
которую вы читаете, алгоритм выдал два абза-
ца, которые звучали, как попытка первокурсни- Под «сознанием», или «субъективным ощущени-
цы, задремавшей на вводной лекции по машинно- ем», я подразумеваю то, что присуще любому пере-
му обучению, вспомнить, о чем шла речь. На вы- живанию, — например, восхитительный вкус па-
ходе имеются все нужные слова, собранные сты Nutella, острое жжение больного зуба, медлен-
во фразы, — на самом деле, весьма неплохой ре- ное течение времени, когда человек скучает, или
зультат! При повторном вводе того же текста алго- чувство бодрости и тревоги непосредственно пе-
ритм выдаст что-нибудь новое. ред началом соревнований. Говоря в духе филосо-
фа Томаса Нагеля, система обладает сознанием,
В будущем такие боты создадут лавину «глубин- если возможно быть этой системой.
но поддельных» отзывов о продуктах и новостей,
которые усилят загрязнение интернета. Они ста- Вспомните то неловкое ощущение, когда вы
нут еще одним примером программ, которые вы- внезапно осознали, что совершили оплошность
полняют действия, до сих пор считавшиеся исклю- и ваша шутка воспринята как оскорбление. Смо-
чительно человеческими, — играют в стратегиче- гут ли компьютеры когда-нибудь испытывать по-
скую игру StarCraft, переводят текст, дают личные добные эмоции? Когда вы звоните по телефону, ми-
рекомендации про книги и фильмы, узнают людей нуты идут одна за другой, вы ждете, а искусствен-
на фотографиях и видео. ный голос нараспев произносит: «Сожалеем, что
заставили вас ждать»; действительно ли программ-
В дальнейшем потребуется еще много достиже- ное обеспечение чувствует себя виноватым, погру-
ний в области машинного обучения, прежде чем жая вас в пекло общения со службой поддержки?
алгоритм сможет написать шедевр столь же цель-
ный, как роман Марселя Пруста «В поисках утра- Нет никаких сомнений в том, что наши интел-
ченного времени», но это неизбежно случится. лект и опыт — это неизбежное следствие естествен-
Вспомним, что все первые попытки играть в ком- ных способностей мозга, а не каких-то сверхъ­
пьютерные игры, переводить и говорить были не- естественных причин. Этот постулат хорошо слу-
уклюжи и не воспринимались всерьез, потому жил науке, когда люди исследовали мир в течение
что им явно не хватало мастерства и сноровки. нескольких последних столетий. Похожий на тофу
Но с изобретением глубоких нейронных сетей у ин- полуторакилограммовый человеческий мозг — это,
формационных технологий появилась мощная вы- безусловно, самый сложный кусок активной мате-
числительная инфраструктура, компьютеры ста- рии в известной нам части Вселенной. Но он дол-
ли непрерывно совершенствоваться, и теперь их жен подчиняться тем же физическим законам, ко-
достижения уже не кажутся смешными. Как мы торым подчиняются собаки, деревья и звезды. Тут
уже видели на примере шахмат и покера, совре- не может быть исключений. Мы пока не до конца
менные алгоритмы могут обыграть людей. Когда понимаем, как работа мозга создает переживания,
они это делают, наш первоначальный смех сменя- но мы ощущаем их постоянно: одна группа нейро-
ется ужасом. Не вызвали ли мы полезных духов, нов активна, когда вы видите цвета, а клетки в дру-
которых теперь неспособны контролировать, как гой области коры работают, когда вы в шутливом
это сделал ученик чародея в балладе Гете? настроении. Когда нейрохирург стимулирует эти
нейроны электродами, люди видят цвета или начи-
Искусственное сознание? нают смеяться. И наоборот, выключение мозга при
наркозе устраняет эти ощущения.
Несмотря на то что среди экспертов нет едино-
го мнения о том, из чего именно состоит интел- Если учитывать широко известные предположе-
лект, настоящий или искусственный, большин- ния об устройстве сознания, следует ли ожидать,
ство согласны, что рано или поздно компьютеры что развитие настоящего искусственного интел-
лекта приведет к появлению искусственного со-
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ знания?

В скором времени появятся машины с человеческим Размышляя над этим вопросом, мы неизбежно
уровнем интеллекта. приходим к развилке, откуда идут два принципи-
ально разных пути. Дух времени, воплощенный
Неясно, будет ли у них настоящее сознание. в таких романах и фильмах, как «Бегущий по лез-
Почему? Вряд ли осознанные чувства могут возник- вию», «Она» и «Из машины», решительно ведет нас
нуть даже у самых сложных моделей мозга. в сторону предположения, что по-настоящему ум-
ные машины будут чувствовать. Они смогут гово-
рить, рассуждать, заниматься самоконтролем и са-
моанализом. Следовательно, у них будет сознание.

96 В мире науkи | [03] март 2020

Сознание

Данное направление наиболее ярко отражено Сознательные ощущения возникают из-за того,
в теории глобального нейронного рабочего про- что этот алгоритм взаимодействует с сенсорными
странства (ГНРП), одной из главных научных тео- входами, моторными выходами и внутренними пе-
рий сознания. Она утверждает, что сознание воз- ременными, связанными с памятью, мотивацией
никает из-за некоторых особенностей строения и предвкушением. Наличие сознания свидетель-
мозга. ствует о том, что происходит обширная обработка.
Теория ГНРП полностью соответствует современ-
Ее происхождение можно проследить до систем, ным идеям о почти бесконечных возможностях вы-
использующих принцип «классной доски» в ин- числительных систем. Сознание — это всего лишь
форматике 1970-х гг., когда специализированные хитрая уловка.
программы обращались к общему хранилищу ин-
формации, называвшемуся классной доской, или Внутренняя причинная сила
центральным рабочим пространством. Психоло-
ги утверждали, что такой же механизм обработ- Альтернативный вариант — теория интегрирован-
ки информации существует в мозге и обеспечивает ной информации (ТИИ) — использует более фунда-
человеческое мышление. У него маленький объем, ментальный подход для объяснения сознания.
поэтому только одно ощущение, мысль или воспо-
минание занимают рабочее пространство в каж- Главный автор проекта — психиатр и нейроби-
дый момент времени. Новая информация конкури- олог из Висконсинского университета в Мадисоне
рует со старой и вытесняет ее. Джулио Тонони (Giulio Tononi). Вместе с другими
учеными свой вклад в эту теорию вношу и я. В дан-
Сотрудники Коллеж де Франс — специалист ной теории все начинается с полученного опы-
по когнитивной нейробиологии Станислас Деан та и активации синапсов, обеспечивающих «ощу-
(Stanislas Dehaene) и молекулярный биолог Жан- щение» этого опыта. Интегрированная информа-
Пьер Шанже (Jean-Pierre Changeux) — объяснили, ция — математическое выражение количества
как эти идеи соответствуют строению самого внеш- «внутренней причинной силы», которой обладает
него слоя серого вещества головного мозга — коры. тот или иной процесс. Возбуждающиеся нейроны,
Два листа шириной и толщиной с пиццу среднего передающие через синапсы сигналы низлежащим
размера, один справа, а другой слева, сильно смяты клеткам, — это один из механизмов наряду с элек-
и втиснуты в защищающий их череп. Деан и Шан- тронными схемами, состоящими из транзисторов,
же предположили, что рабочее пространство об- конденсаторов, резисторов и проводов.
разовано сетью пирамидных возбуждающих ней-
ронов, связанных с обширными областями коры, Внутренняя причинная сила — это не какое-то
в частности префронтальной, височно-теменной абстрактное понятие, ее можно точно оценить для
и поясной ассоциативными зонами. любой системы. Чем сильнее зависят от текуще-
го состояния системы воспринимаемые входящие
Б льшая часть активности мозга остается при- сигналы (причины) и исходящие сигналы (след-
вязанной к одному месту и поэтому бессознатель- ствия), тем большей причинной силой она обладает.
ной. Например, так работает модуль, контроли-
рующий направление взгляда (мы почти не заме- Согласно ТИИ, любой механизм будет иметь со-
чаем, как это делаем), или модуль, регулирующий знание, если он обладает внутренней силой и его
положение тела. Но когда активность в одной или состояние связано с его прошлым и будущим. Чем
нескольких областях превышает пороговое зна- больше интегрированная информация системы,
чение, например когда кому-то показывают бан- обозначаемая греческой буквой («фи»), которая
ку с Nutella, это вызывает вспышку, волну нервно- может принимать нулевое или положительное зна-
го возбуждения, которое распространяется по все- чение, тем больше сознания имеется у системы.
му рабочему пространству, по всему мозгу. Таким Если у чего-то нет внутренней причинной силы,
образом, эти сигналы становятся доступными для то оно ничего не чувствует, его равно нулю.
множества дополнительных процессов, таких как
язык, планирование, система подкрепления, по- Если учитывать неоднородность нейронов коры
падают в буфер кратковременной памяти и полу- и сильное перекрывание у них входящих и исхо-
чают доступ к долговременной. За счет обширного дящих связей, объем интегрированной информа-
распространения информации она становится со- ции в коре огромен. С опорой на эту теорию был
знательной. Уникальное ощущение от восприятия создан измеритель сознания, который сейчас те-
Nutella возникает благодаря пирамидным нейро- стируют в клинике. С его помощью определяют,
нам, взаимодействующим с областью планирова- находится ли человек в устойчивом вегетативном
ния движений, которая командует схватить ложку состоянии или в состоянии минимального созна-
и зачерпнуть ореховую пасту. В то же время другие ния, под действием анестезии, или у него синдром
модули передают сигнал об ожидаемом подкрепле- «запертого человека», когда сознание присутству-
нии в виде большой порции дофамина, поскольку ет, но человек не может вступать в коммуникацию,
в лакомстве содержится много жира и сахара. или же там внутри уже никого нет. Если оценить
причинную силу программируемых цифровых
компьютеров на уровне металлических деталей —

w w w.sci-ru.org [03] март 2020 | В мире науkи 97

Сознание

­транзисторов, проводов и диодов, которые состав- никогда не становится мокро при моделировании
ляют физическую основу для любого вычисле- ливня, или почему астрофизики могут моделиро-
ния, — получается, что их внутренняя причинная вать огромную гравитационную силу черной дыры,
сила и их ничтожно малы. Более того, не зави- не опасаясь, что их поглотит пространство-время,
сит от того, какое используется программное обе- изгибающееся около их компьютера. Ответ: потому
спечение, происходит ли вычисление суммы нало- что у модели нет причинной силы, чтобы заставить
гов или имитация работы мозга. атмосферный пар сконденсироваться в капли или
вызвать искривление пространства-времени! Тео-
На самом деле, согласно этой теории, две сети, ретически, однако, можно было бы достичь челове-
выполняющие одинаковые операции ввода-выво- ческого уровня сознания, если не ограничиваться
да, но имеющие разную конфигурацию, могут об- моделированием, а создать так называемую нейро-
ладать разным количеством . У одной сети может морфную технику со структурой, устроенной по об-
не быть , а у другой может принимать большое разу нервной системы.
значение. Хотя внешне они кажутся идентич-
ными, одна из них что-то переживает, тогда как Помимо различий в результатах моделирования,
ее зомби-двойник не чувствует ничего. Разница есть и другие. ТИИ и ГНРП предсказывают раз-
скрыта внутри, во внутренней схеме сети. Короче личное положение в коре эпицентра определен-
говоря, сознание — это состояние, а не действие. ных сознательных переживаний, в одном случае
он расположен в задней части коры, а в другом —
Разница между этими двумя теориями состоит в передней. Это и другие предсказания сейчас про-
в том, что ГНРП объясняет сознание через работу веряются в крупномасштабном совместном проек-
человеческого мозга, а ТИИ утверждает, что на са- те шести лабораторий в США, Европе и Китае, по-
мом деле значение имеют внутренние причинные лучившем только что финансирование в размере
силы мозга. $5 млн от Всемирного благотворительного фонда
Темплтона.
Различия имеют значение при описании коннек-
тома мозга, то есть определении всех синаптиче- Вопрос, могут ли машины иметь сознание, ва-
ских связей целой нервной системы. Анатомы уже жен и по этическим причинам. Если компьютеры
описали коннектом некоторых червей. Они рабо- ощущают жизнь с помощью своих собственных
тают над коннектомом дрозофилы и планируют чувств, они перестают быть исключительно сред-
всерьез взяться за коннектом мыши в течение сле- ством достижения полезных для нас целей. Они
дующего десятилетия. Давайте представим, что становятся самоцельными.
в будущем станет возможно сканировать на уль-
траструктурном уровне весь человеческий мозг Согласно ГНРП, они превращаются из простых
со всеми примерно 100 млрд нейронов и квадрил- объектов в субъекты, у них появляется их соб-
лионом синапсов после смерти его хозяина, а затем ственное «я». Эта проблема убедительно показана
смоделировать этот орган на каком-нибудь про- в телевизионных сериалах «Черное зеркало» и «Мир
двинутом компьютере, например квантовом. Если Дикого Запада». Как только когнитивные способ-
модель достаточно точна, она проснется и станет ности компьютеров начнут соперничать с челове-
вести себя как цифровая копия умершего челове- ческими, у машин появится непреодолимое стрем-
ка — говорить и обращаться к его воспоминаниям, ление отстаивать свои юридические и политиче-
желаниям, страхам и другим чертам личности. ские права — право не быть уничтоженными,
не подвергаться стиранию памяти, не страдать
Если теория ГНРП верна и имитации работы от боли и разрушения. ТИИ предлагает альтерна-
мозга достаточно, чтобы получить сознание, смо- тивный сценарий — что компьютеры останутся
делированный человек будет обладать сознанием, всего лишь сверхсложными машинами, призрач-
воплотившись в компьютере. И действительно, ными пустыми оболочками, лишенными того, что
загрузка коннектома на сервер, чтобы люди мог- мы больше всего ценим: ощущения жизни.
ли жить в цифровой загробной жизни, — обычный
ход в научной фантастике. Перевод: М.С. Багоцкая

ТИИ предлагает совершенно другую интерпре- ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ИСТОЧНИКИ
тацию такой ситуации: модель будет чувствовать
себя так же, как программное обеспечение, рабо- Серл Дж. Разум мозга — компьютерная программа? // ВМН,
тающее в японском «умном» унитазе, то есть никак.
Она будет действовать как личность, но без каких- № 3, 1990.
либо естественных чувств, словно зомби (правда,
без желания питаться человеческой плотью). What Is Consciousness, and Could Machines Have It? Stanislas

Для того чтобы получить сознание, необходимы Dehaene, Hakwan Lau and Sid Kouider in Science, Vol. 358, pages
внутренние причинные силы мозга. Их нельзя смо-
делировать, они изначально должны быть физиче- 486–492; October 27, 2017.
ски встроены в механизм. Чтобы понять, почему
моделирование не работает, задумайтесь, почему The Feeling of Life Itself: Why Consciousness Is Widespread but

Can’t Be Computed. Christof Koch. MIT Press, 2019.

98 В мире науkи | [03] март 2020