Инженерные столкновения: как Нью-Йоркский университет меняет подход к исследованиям в области здравоохранения

Данная статья подготовлена при поддержке Инженерной школы Тандон при Нью-Йоркском университете.

Традиционный подход к академическим исследованиям выглядит примерно так: собрать экспертов из определенной дисциплины, поместить их в здание и надеяться, что получится что-то полезное. Биологические факультеты занимаются биологией. Инженерные факультеты занимаются инженерией. Медицинские школы лечат пациентов.

Нью-Йоркский университет переворачивает эту модель с ног на голову. В его новом Институте инженерного здоровья организующий принцип сосредоточен на состояниях заболеваний, а не на традиционных дисциплинах. Вместо вопроса «какой вклад могут внести инженеры-электрики в медицину?», они спрашивают: «что потребуется для лечения аллергической астмы?», а затем собирают всех, кто может ответить на этот вопрос, будь то иммунологи, специалисты по вычислительной биологии, материаловеды, исследователи в области искусственного интеллекта или инженеры беспроводной связи.

Джеффри Хаббелл, вице-президент Нью-Йоркского университета по стратегии биоинженерии и профессор химической и биомолекулярной инженерии в Инженерной школе Тандон Нью-Йоркского университета.

Первые результаты говорят о том, что они на верном пути . Инженер-химик и инженер-электрик совместно разработали устройство для обнаружения угроз в воздухе, включая болезнетворные микроорганизмы, и теперь это стартап. Врач с нарушениями зрения объединился с инженерами-механиками для создания навигационной технологии для слепых пассажиров метро. А Джеффри Хаббелл, руководитель института, разрабатывает «обратные вакцины», которые могут перепрограммировать иммунную систему для лечения таких заболеваний, как целиакия и аллергия — работа, требующая одинаково глубокого знания иммунологии, молекулярной инженерии и материаловедения.

Основная проблема, которую решают эти коллаборации, носит как концептуальный, так и организационный характер. Хаббелл утверждает, что в своей области современная медицина оптимизировала свою деятельность вокруг одной стратегии: разработки лекарств, которые блокируют определенные молекулы или подавляют целевые иммунные реакции. Технология антител стала основным инструментом этого подхода. «Она действительно подходит для блокирования одного вещества за раз», — говорит он. Фармацевтическая промышленность достигла необычайного мастерства в создании таких ингибиторов, каждый из которых предназначен для подавления определенного сигнального пути.

Но Хаббелл задает другой вопрос: вместо того, чтобы подавлять одно плохое явление за раз, что, если бы можно было стимулировать одно хорошее явление и запустить каскад, который одновременно противодействует нескольким плохим механизмам? При воспалении, можно ли было бы сместить систему в сторону иммунологической толерантности, вместо того, чтобы блокировать воспалительные молекулы по одной? При раке, можно ли было бы активировать провоспалительные пути в микроокружении опухоли, которые бы одновременно преодолевали множество иммунодепрессивных факторов?

Этот переход от ингибирования к активации требует принципиально иного набора инструментов — и другого типа исследователей. «Мы используем биологические молекулы, такие как белки, или материальные структуры — растворимые полимеры, супрамолекулярные структуры наноматериалов — для управления этими более фундаментальными свойствами», — объясняет Хаббелл. Невозможно разработать такие подходы, если вы понимаете только биологию, или только материаловедение, или только иммунологию. Вам необходимо понимать и владеть всеми тремя областями.

«Здесь будут люди, занимающиеся искусственным интеллектом, наукой о данных, теорией вычислительной науки, иммуноинженерией и другими видами биологической инженерии, материаловедением и квантовой инженерией — все они будут находиться в непосредственной близости друг от друга». — Джеффри Хаббелл, NYU Tandon

Это логично приводит к вопросу: как подготовить исследователей с таким уровнем междисциплинарной компетентности?

Ответ оказывается совсем не таким, как можно было бы ожидать. «Возможно, когда-то целью было научить биоинженера понимать язык биологии, — говорит Хаббелл. — Но это время давно прошло. Теперь инженеру нужно стать биологом, иммунологом или нейробиологом».

Хаббелл говорит не о том, чтобы инженеры изучали биологию в достаточной степени для сотрудничества с биологами. Он описывает нечто более радикальное: подготовку людей, чья профессиональная принадлежность действительно неоднозначна. «Студентов-нейроинженеров очень сложно отличить от нейробиологов», — говорит Хаббелл. «В этом вся идея».

Его собственные студенты являются ярким тому примером. Они публикуют статьи в иммунологических журналах, выступают на иммунологических конференциях. «Никто не знает, что они инженеры», — говорит он. Но они применяют инженерные подходы — компьютерное моделирование, проектирование материалов, системное мышление — к иммунологическим проблемам таким образом, как это не сделали бы традиционные иммунологи.

Механизм создания таких гибридных исследователей Хаббелл называет «средой». «Изучить все самостоятельно безнадежно, — признает он, — но обучение в среде становится очень и очень эффективным».

Нью-Йоркский университет расширяет свою инфраструктуру, чтобы создать научно-технологический центр, призванный стимулировать взаимодействие между людьми из разных школ и дисциплин, которые в обычных условиях не пересекались бы. (Трейси Фридман/NYU)

Нью-Йоркский университет создает физическую среду. Университет приобрел большое здание на Манхэттене , которое будет служить его научно-технологическим центром — это целенаправленная стратегия совместного размещения, призванная стимулировать взаимодействие между людьми из разных школ и дисциплин, которые в обычных условиях не пересекались бы.

Хуан де Пабло — исполнительный вице-президент по глобальной науке и технологиям имени Анны и Джоэла Эренкранц и исполнительный декан инженерной школы Тандон при Нью-Йоркском университете. Фотография Стива Мясковского, предоставлена фотобюро Нью-Йоркского университета.

«Там будут специалисты по искусственному интеллекту, науке о данных, теории вычислительной науки, иммуноинженерии и другим биологическим инженерным разработкам, материаловедению и квантовой инженерии — все они будут находиться в непосредственной близости друг от друга», — объясняет Хаббелл.

Стратегия отражает то, что Хуан де Пабло, исполнительный вице-президент по глобальной науке и технологиям имени Анны и Джоэла Эренкранцев в Нью-Йоркском университете и исполнительный декан инженерной школы Тандон при Нью-Йоркском университете, описывает как организацию работы вокруг «глобальных задач», а не традиционных дисциплин. «Что движет процессом набора персонала, созданием рабочих мест и привлечением людей, так это проблемы, которые мы пытаемся решить», — говорит он. «Великие умы хотят оставить после себя наследие, и мы делаем это возможным здесь».

Но одной лишь физической близости недостаточно. Институт также культивирует то, что Хаббелл называет «явным», а не «неявным» подходом к внедрению — рассматривая клинические и коммерческие пути с самого начала.

«Ужасно решать проблему, которая никого не волнует», — говорит Хаббелл своим студентам. Чтобы этого избежать, Институт проводит «трансляционные упражнения» — групповые занятия, на которых исследователи прорабатывают весь путь от открытия до внедрения, прежде чем запускать многолетние исследовательские программы. Где это может потерпеть неудачу? Какие эксперименты быстро опровергнут идею? Если это лекарство, сколько времени займут клинические испытания? Если это вычислительный метод, как его безопасно внедрить?

Новая межинституциональная инициатива представляет собой крупные инвестиции в науку и технологии и включает в себя привлечение новых преподавателей, создание современных объектов и внедрение инновационных программ. NYU Tandon

Такой подход резко контрастирует с типичной академической практикой. «Иногда ученые склонны обдумывать что-то 20 минут, а затем запускать пятилетнюю докторскую программу», — говорит Хаббелл. «Вероятно, это не лучший способ». Вместо этого Институт объединяет людей, которые действительно разрабатывали лекарства, создавали алгоритмы или коммерциализировали устройства, — используя их с трудом приобретенный опыт на этапе планирования еще до проведения первого эксперимента.

Возможно, время выбрано удачно. Де Пабло отмечает, что искусственный интеллект значительно сокращает сроки. «То, что, как мы думали, займет 10 лет, мы, возможно, сможем сделать за 5», — говорит он.

Однако он быстро отмечает ограничения ИИ. Хотя такие инструменты, как AlphaFold, могут предсказывать, как сворачивается отдельный белок — прорыв последних пяти лет — биология работает в гораздо больших масштабах. «Сейчас нам действительно нужно проектировать не один белок, а наборы белков, которые будут работать вместе для решения конкретной проблемы», — объясняет де Пабло.

Хаббелл соглашается: «Биология — это гораздо более обширная область, включающая множество систем». Печень и почки расположены в разных местах, но взаимодействуют. Кишечник и мозг связаны неврологически способами, которые исследователи только начинают изучать. «Искусственный интеллект пока еще не достиг этого уровня, но когда-нибудь достигнет. И это наша задача — разработать наборы данных, вычислительные структуры, системные структуры, чтобы продвинуться на следующий уровень».

Это момент необычайных амбиций. «В то время как мы видим, как некоторые исследовательские институты немного сокращают расходы и ограничивают свои амбиции, — говорит де Пабло, — мы делаем прямо противоположное. Мы думаем о том, какие грандиозные задачи мы хотим и должны решить».

Суть в том, что значимые прорывы не могут возникнуть в результате работы какой-либо одной дисциплины в одиночку. Для этого необходимы столкновения — иногда запланированные, иногда случайные — между людьми, говорящими на разных технических языках и готовыми разработать общий. Нью-Йоркский университет организует такие столкновения в больших масштабах.