Nowe technologie w prewencji i terapii chorób układu oddechowego 

dr hab. n. med. Mateusz Jankowski

Układ oddechowy człowieka to sieć narządów i tkanek, których głównym celem jest wdychanie powietrza i prowadzenie go przez górne (jama nosowa oraz gardło) i dolne (krtań, tchawica, oskrzela) drogi oddechowe do płuc, gdzie następuje wymiana gazowa. Wymiana gazowa to proces, podczas którego z powietrza pobierany jest tlen, a z organizmu wydalany jest dwutlenek węgla. Wymiana gazowa u człowieka zachodzi głównie w pęcherzykach płucnych, między ścianą pęcherzyka a oplatającymi ją drobnymi naczyniami krwionośnymi (naczyniami włosowatymi), które potem transportują krew bogatą w tlen do tkanek i narządów w ciele człowieka. Płuca dorosłego człowieka zawierają około 500 milionów pęcherzyków płucnych. Codziennie płuca człowieka pobierają około 8-9 tysięcy litrów powietrza.  

Choroby układu oddechowego można podzielić na dwie główne grupy chorób: choroby zakaźne układu oddechowego i przewlekłe, niezakaźne choroby układu oddechowego. Choroby zakaźne układu oddechowego są wywoływane przez biologiczne czynniki chorobotwórcze takie jak wirusy (np. wirus grypy) lub bakterie (np. prątek gruźlicy). Główną przyczyną przewlekłych niezakaźnych chorób układu oddechowego są czynniki środowiskowe, szczególnie oddychanie zanieczyszczonym powietrzem. Palenie papierosów i wdychanie dymu tytoniowego są główną przyczyną przewlekłych chorób płuc. W Polsce, poważny problem stanowi również narażenie na zanieczyszczenia powietrza i smog, szczególnie pył zawieszony powstający na skutek palenia w piecach w sezonie jesienno-zimowym. Światowa Organizacja Zdrowia szacuje, że 36 z 50 miast o najwyższym poziomie zanieczyszczeń powietrza w Europie, znajduje się w Polsce. Przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP), i astma to dwie najczęściej występujące przewlekłe choroby płuc, na które choruje nawet 450 mln ludzi na całym świecie. POChP jest trzecią główną przyczyną zgonów na świecie – co roku odnotowuje się ponad 4 mln zgonów z powodu POChP. Rak płuca jest główną przyczyną zgonów z powodu chorób nowotworowych w Polsce. Choroby układu oddechowego wpływają na jakość życia i zdolność do pracy oraz codziennego funkcjonowania człowieka.  

Z uwagi na dużą globalną liczbę pacjentów z chorobami układu oddechowego oraz społeczne i ekonomiczne skutki chorób układu oddechowego, naukowcy na całym świecie poszukują nowych technologii możliwych do wdrożenia w celu zapobiegania, wczesnego wykrywania i bardziej skutecznego leczenia chorób układu oddechowego.  

Nowe technologie w zapobieganiu występowania chorób układu oddechowego 

Profilaktyka chorób układu oddechowego polega na ograniczeniu czynników ryzyka chorób układu oddechowego – wirusów i bakterii wywołujących choroby układu oddechowego i zanieczyszczeń powietrza prowadzących do rozwoju chorób układu oddechowego. Technologie cyfrowe, w tym algorytmy sztucznej inteligencji są coraz częściej wykorzystywane do projektowania oraz zarządzania budynkami. Człowiek większość czasu spędza wewnątrz pomieszczeń – w domu lub w pracy, a powietrze wewnątrz pomieszczeń wpływa na zdrowie. Sztuczna inteligencja (AI) jest coraz częściej wykorzystywania do projektowania budynków oraz zarządzania infrastrukturą wewnątrz pomieszczeń, szczególnie w ramach „zielonego budownictwa”, które powinno wspierać zdrowie fizyczne, psychiczne i społeczne oraz dobre samopoczucie ludzi przebywających w budynkach i środowisku zabudowanym. AI umożliwia wsparcie procesu konstruowania budynków tak, aby w jak najwyższym stopniu zapewniały warunki sprzyjające zdrowiu osób przebywających wewnątrz pomieszczeń. Ponadto, AI i uczenie maszynowe znajdują zastosowania do zarządzania np. systemami wentylacji wewnątrz pomieszczeń i wpływają na jakość powietrza w pomieszczeniu i wilgotność powietrza w pomieszczeniu. Ponadto, rozbudowane sieci sensorów monitorujących jakość powietrza np. na terenie miast, wsparte algorytmami AI, pozwalają na prognozowanie jakości powietrza na danym obszarze oraz identyfikację gospodarstw domowych emitujących zanieczyszczenia powietrza. Coraz częściej służby porządkowe w miastach wykorzystują również drony do monitorowania jakości powietrza i badania próbek dymu wydostającego się z kominów. Dbanie o jakość powietrza jest ważnym elementem inteligentnych miast (ang. „smart cities”), a AI stanowi ważne narzędzie wpierające ten cel. 

Nowe technologie w diagnostyce chorób układu oddechowego 

W diagnostyce chorób układu oddechowego najważniejsze znaczenie mają badania obrazowe oraz badania czynnościowe układu oddechowego (głównie spirometria). Diagnostyka obrazowa płuc oparta jest na badaniach RTG oraz tomografii komputerowej (TK). Algorytmy uczenia maszynowego i sieci neuronowe, poprzez analizę dużych zbiorów danych (np. setek tysięcy różnych obrazów z badań płuc) są w stanie wspierać lekarzy w diagnostyce chorób układu oddechowego, poprzez wykrywanie anomalii w obrazie płuc. Najczęściej technologie oparte na AI w diagnostyce chorób płuc dotyczą diagnostyki raka płuca, ale rozwijane są również algorytmy wpierające diagnostykę chorób płuc przebiegających ze zwężenie przepływu powietrza przez drogi oddechowe lub powodujących zwłóknienie płuc. 

Spirometria to podstawowe badanie czynnościowe układu oddechowego, które pozwala ocenić „pracę płuc”, w tym objętość powietrza wydychanego z płuc a także natężenia jego przepływu podczas wdechu i wydechu. Spirometria jest wykonywana w przychodni lub szpitalu, najczęściej przez pielęgniarkę, która instruuje pacjenta na temat tego jak i kiedy ma oddychać. W ostatnich latach coraz popularniejsze stają się przenośne spirometry, które w połączeniu z aplikacją mobilną stosowane są przez pacjentów z chorobami układu oddechowego do monitorowanie funkcji układu oddechowego. Takie przenośne spirometry pozwalają na monitorowanie układu oddechowego, gromadzenie danych na temat wyników pomiarów spirometrycznych i prowadzenie precyzyjnych analiz i zmian w różnych punktach czasowych.  

Ważny element diagnostyki chorób układu oddechowego stanowi również osłuchiwanie płuc.  

Coraz częściej w medycynie wykorzystywane są elektroniczne (cyfrowe) stetoskopy, które wzmacniają dźwięk poprzez przekształcenie fizycznych wibracji dźwięku w sygnał elektroniczny. Oprócz cyfrowych stetoskopów przeznaczonych dla profesjonalistów medycznych, dostępne są również stetoskopy do użytku domowego, które w oparciu o sztuczną inteligencję, analizują i wykrywają nieprawidłowe dźwięki osłuchowe w układzie oddechowym. Takie stetoskopy mogą również przesyłać dźwięk do gabinetu lekarskiego. Technologie cyfrowe oparte na analizie obrazu lub dźwięku stanowią ważny element rozwoju diagnostyki pulmonologicznej. Z uwagi na rosnącą częstość występowania chorób płuc na świecie, podejmowane są globalne wysiłki na rzecz poprawy diagnostyki pulmonologicznej, której podstawą są wiarygodne i odpowiednio liczne zbiory danych.  

Pandemia COVID-19 przyczyniła się również do dynamicznego rozwoju technologii wpierających diagnostykę chorób zakaźnych układu oddechowego. Najszybciej rozwijającym się segmentem są testy pozwalające na diagnostykę wirusów lub bakterii odpowiedzialnych za choroby zakaźne układu oddechowego, bezpośrednio przy pacjencie, bez potrzeby transportu materiału biologicznego do laboratorium. Przykład takich technologii stanowią tzw. „szybkie testy kasetkowe”, umożliwiające wykrycie patogenu w materiale biologicznym pobranym od pacjenta i dające wynik po 10-15 minutach. Szybkie testy są również rozwijane w formie urządzeń elektronicznych – przenośnych analizatorów pozwalających na szybkie wykrycie kilku różnych patogenów metodami diagnostyki molekularnej.  

Nowe technologie w terapii chorób układu oddechowego 

Podobnie jak w przypadku innych dziedzin medycyny, sztuczna inteligencja pozwala na wsparcie procesu badawczo-rozwojowego nowych leków w pulmonologii. Algorytmy AI pozwalają na analizę dużych zbiorów danych dotyczących dostępnych molekuł i ich właściwościach (tzw. biblioteki molekuł) oraz typowanie substancji będących kandydatami na nowe leki. Wiodące kierunki badań w zakresie implementacji AI w przy projektowaniu nowych leków obejmują wparcie AI przy wyborze odpowiedniego celu (mechanizmu działania leku) w organizmie, zaprojektowanie właściwej cząsteczki leku oraz określenie, któremu pacjentowi ta cząsteczka najprawdopodobniej pomoże. Ponadto, systemy oparte na AI są wykorzystywanie do projektowania i zarządzania badaniami klinicznymi (w tym rekrutacją i ruchem pacjentów), które są kluczowym elementem rozwoju leku.  

Jednym z głównych wyzwań w terapii chorób układu oddechowego jest właściwe stosowanie się pacjenta do zaleceń lekarskich. Szczególnie wyzwanie terapeutyczne stanowi przyjmowania leków wziewnych dostarczanych za pomocą inhalatorów, samodzielnie obsługiwanych przez pacjentów. Naukowcy pracują nad opracowaniem i udoskonaleniem urządzeń elektronicznych – cyfrowych inhalatorów mgły, który mogłyby efektywnie dostarczać różne leki do płuc. Takie cyfrowe inhalatory pozwalają również na gromadzenie danych dotyczących historii stosowania leków przez pacjenta i identyfikację pacjentów, którzy niewłaściwie przyjmują leki. 

Jednym z wiodących trendów w medycynie jest rozwój tzw. medycyny personalizowanej. Ta sama choroba może przebiegać w inny sposób w różnych grupach pacjentów. Istotą medycyny personalizowanej jest dobór właściwej strategii terapeutycznej dla danego pacjenta we właściwym czasie. W pulmonologii trwają prace nad rozwojem dużych baz danych dotyczących pacjentów z danymi chorobami układu oddechowego, które przy wsparciu AI i metod analizy dużych zbiorów danych (ang. big data) pozwoliłyby na wyodrębnienie czynników determinujących przebieg choroby i skuteczność leczenia. Powyższe działania, mogą doprowadzić do rozwoju technologii cyfrowych wspierających lekarzy w podejmowaniu decyzji na temat doboru najbardziej terapii chorób układu oddechowego, dostosowanej do indywidualnych cech pacjenta. Algorytmy AI znajdują również zastosowanie do prognozowania przebiegu choroby u danego pacjenta, oceny ryzyka zaostrzeń chorób układu oddechowego oraz oceny progresji choroby na podstawie analiz wyników badań. 

Przyszłość nowych technologii w pulmonologii 

Wysoki odsetek Polaków narażonych na zanieczyszczenia powietrza lub dym tytoniowy sprawia, że liczba nowych przypadków chorób płuc będzie rosnąć. Choroby układu oddechowego stały się trzecią przyczyną zgonów na świecie. Przewlekłe choroby płuc wpływają na jakość życia, a pacjenci odczuwają problemy z oddychaniem i duszność, które wpływają na codzienne aktywności życiowe i zdolność do pracy. Z uwagi na zdrowotne, społeczne i ekonomiczne skutki chorób układu oddechowego, w najbliższej dekadzie można spodziewać się dynamicznego rozwoju nowych technologii wspierających pacjentów z chorobami układu oddechowego. Wysoki potencjał implementacji w praktyce mają urządzenia elektroniczne oraz rozwiązana cyfrowe oparte na AI (w tym algorytmy i programy) wspierające monitorowanie i diagnostykę chorób układu oddechowego. 

---