Лекарство от коронавируса и диагностика болезней сердца — над чем работают современные математики

Представители российских университетов рассказали о том, над какими задачами работают современные математики и как они могут помочь людям справиться с проблемами здравоохранения.  

Борьба с коронавирусом

Математики из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова ведут разработки для создании лекарства прямого действия на коронавирус, вызвавший пандемию COVID-19. В рамках проекта «Применение суперкомпьютерного докинга для поиска новых противовирусных препаратов прямого действия для подавления коронавируса SARS CoV 2» ученые провели масштабные расчеты на суперкомпьютере «Ломоносов-2».

«SARS-CoV-2 похож на предыдущий коронавирус SARS-CoV, и знания, накопленные о последнем, позволили понять молекулярные механизмы репликации SARS-CoV-2 и предложить способы борьбы с ним. В данной работе с помощью докинга, квантовой химии и суперкомпьютера проведен поиск ингибиторов терапевтического белка мишени SARS-CoV-2 – папаин-подобной протеазы PLpro. Такие ингибиторы блокируют размножение коронавируса, и на их основе можно сделать лекарство. Были подготовлены две атомистические модели PLpro, в которых расположение атомов белка в активном центре заметно различаются. Первая модель  подготовлена на основе единственной имеющейся в конце 2020 года структуры 6WX4 из Protein Data Bank PLpro, закристаллизованной с ковалентным ингибитором. Вторая модель подготовлена на основе появившейся позже структуры 7JRN, в которой PLpro закристаллизована с нековалентным ингибитором. Проведены расчеты 19 000 органических соединений (более 43 000 трехмерных структур молекул) базы данных Воронежского государственного университета, на основании которых для первой модели белка-мишени отобрано 19 соединений, а для второй, более адекватной модели – 20 других соединений,  молекулы которых наиболее сильно связываются с PLpro и блокируют работу ее каталитического центра», — рассказывает заведующий лабораторией вычислительных систем и прикладных технологий программирования Научно-исследовательского вычислительного центра МГУ, руководитель Владимир Сулимов. 

Отобранные соединения по первой модели были переданы для экспериментального тестирования в Институт молекулярной медицины (Сеченовский Университет), и эксперименты показали, что ни одно соединение не ингибирует рекомбинантную PLpro. Отобранные по второй модели 20 соединений были переданы в ГНЦ Вирусологии и Биотехнологии «Вектор» для проверки подавление ими репликации живого коронавируса в культуре клеток.  

Проект, цель которого найти основу для лекарства от коронавируса, реализуется в рамках развития Московского центра фундаментальной и прикладной математики (МЦФПМ). Он был создан в 2019 году, среди участников центра — МГУ им. М.В. Ломоносова, Институт прикладной математики имени Келдыша РАН и Институт вычислительной математики имени Марчука РАН. 

Ранняя диагностика болезней сердца и мозга

В научно-образовательном центре «Математическое и компьютерное моделирование» Саратовского государственного технического университета (СГТУ) им. Ю.А. Гагарина ведут исследования, которые способствуют развитию таких важных областей как нейрокардиология, нейроинформатика, интеллектуальные алгоритмы и программные комплексы. 

«Проводимые нами исследования в области нелинейной динамики механических и медико-биологических сигналов посвящены универсальной методологии комплексного анализа и диагностики некоторых заболеваний головного мозга и сердечно-сосудистых заболеваний. Их результаты позволят помочь в ранней диагностике эпилепсии, шизофрении, алкоголизма и заболеваний сердца», — говорит Татьяна Яковлева, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Математика и моделирование» СГТУ.

В частности, на основании выявления маркеров патологической активности головного мозга (с помощью электроэнцефалограммы) и аритмий сердца (с помощью электрокардиографии) появилась возможность изучения, прогнозирования и ранней инструментальной и лабораторной диагностики опасных заболеваний с использованием современных IT-технологий. В настоящее время исследования сигналов ЭКГ с целью выявления маркеров аритмий сердца  проводятся учеными СГТУ совместно с представителями лаборатории инструментальной диагностики Научного отдела инструментальных методов исследования Тюменского кардиологического научного центра.

Исследования сигналов ЭЭГ с эпилептиформной активностью головного мозга были поддержаны грантом Министерства образования и науки РФ. 

Компьютерное зрение

Математики Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского занимаются развитием компьютерного зрения: ведутся как научные исследования, так и подготовка специалистов в этом направлении. 

«Компьютерное зрение разрабатывает подходы и алгоритмы, позволяющие компьютерам видеть. Все, что связано с обработкой фото и видео, в той или иной степени можно назвать компьютерным зрением. Наш регион по праву считается одним из центров исследований в области компьютерного зрения. Вокруг Университета Лобачевского сформировалось целое сообщество исследовательских групп и компаний, ведущих разработки в этом направлении. А в 1999 году сотрудники Нижегородского исследовательского центра компании Intel начали разработку библиотеки алгоритмов компьютерного зрения OpenCV. Сейчас это самая известная и популярная библиотека, она свободно распространяется, и ею пользуются все, кто занимается компьютерным зрением», — рассказывает директор Института информационных технологий, математики и механики ННГУ Николай Золотых. 

Например, группа ученых Университета Лобачевского занимается разработкой приложений по обработке медицинских изображений — это 3D-медицина, в частности, 3D-диагностика и анализ заболеваний  на основе искусственного интеллекта. Исследование посвящено диагностике, анализу социально значимых заболеваний человека (прежде всего онкологических, сердечных, заболеваний мозга), животных (обслуживание исследований, проводимых на животных), растений (вирусных, бактериологических, грибковых заболеваний) с высокой точностью на основе методов искусственного интеллекта (ИИ) в режиме облачной платформы. Эта команда исследователей занимает одно из лидирующих мест в мире.