Место математики в медицине на примере МГУ им. М.В.Ломоносова

Титульный лист

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………………...3

1. Математические  методы и статистика в медицине……………………………………………….4

2. Место математики в медицине на примере МГУ им. М.В.Ломоносова…………………………7

Заключение …………………………………………………………………………………………...13

Список использованной литературы………………………………………………………………...14

Введение

Роль математического образования в профессиональной подготовке медицинских работников очень велика.

Процессы, происходящие в настоящее время во всех сферах жизни общества, предъявляют новые требования к профессиональным качествам специалистов. Современный этап развития общества характеризуется качественным изменением деятельности медицинского персонала, которое связано с широким применением математического моделирования, статистики и других важных явлений, имеющих место в медицинской практике.

Когда мы говорим о лекарственных препаратах, то пытаемся понять истину человека и его жизни – и оценить эту истину с помощью инструментов и подходов точных наук и высокоточных технологий, применяемых в медицине: следовательно, эти инструменты и подходы являются определяющими жизнь самого человека. Главный принцип, сформулированный еще в клятве Гиппократа, остается для нас неизменным: primum non nocere, главное – не навредить. Поэтому какими бы великолепными не были лекарственные препараты, мы обязаны всегда взвешивать все «за» и «против» их эффективности и безопасности – как самих по себе, так и с точки зрения использования у различных категорий пациентов (пол, возраст, наличие сопутствующей патологии, прием других лекарств, генотипические и прочие особенности) и при разных видах патологии.

Новая теория медицины, которая сейчас бурно обсуждается, базируется на персонализации лечения – создании и осуществлении лечебных программ, модифицирующих течение болезни. Подходя к лечению больных, врач должен выбрать правильный лекарственный препарат и максимально его индивидуализировать. Сегодня из уст пациентов или их родственников нередко звучит упрек врачам: «Не лечите нас по стандартам!» – это предельно важная этическая сторона, которая должна находить отражение в профессиональных кодексах врачей. Вообще, с открытием генома человека в клинической медицине происходит бум: постоянно описываются новые заболевания. Современные фундаментальные исследования неопровержимо свидетельствуют: новая патология реально существует, – мы просто не видим подходов к ней. Очень важно увидеть новую патологию человека: сегодня эта задача остро стоит перед учеными всего мира – и для ее реализации уже накоплено немало возможностей, в том числе и российскими учеными. Среди наиболее перспективных технологий, используемых ими, докладчик назвал: - программу протеом/геном, - масс-спектрометрию, - достижения клеточной и молекулярной биологии, - фармакогеномику, - биоинженерию, - математику.

1. Математические методы  и статистика в медицине

Поначалу математика и медицина могут показаться совсем несовместимыми областями человеческой деятельности. В самом деле, долгое время основным источником математических проблем были физика и астрономия. Медицина же, в основном, развивалась несвязанно с математикой и оставалась практически неформализованной наукой. Однако в последние десятилетия взаимодействие медицины и математики становится всё более активным.

Некоторые плоды совместной деятельности уже получены и эффективно используются. Например, многие математические понятия и вычислительные алгоритмы возникли и развивались под влиянием медико-биологических проблем. Среди них можно назвать теорию вероятностей, методы математической статистики, теорию игр, методы оптимального управления и теорию автоматов. За последнее время в математике появились принципиально новые подходы, которые порождены именно медико-биологической наукой, но затем успешно применялись в других областях науки и техники, например в теории хаоса, качественной теории дифференциальных уравнений, теории распознавания образов и др.

Медицинское исследование может быть описательным и экспериментальным. В первом случае данные касательно воздействия и исхода получены одновременно. Существует несколько видов описательного исследования:

корреляционное исследование (с целью установления факта связи);

исследование серии случаев (истории болезней);

одномоментное исследование (изучение распространенных хронических заболеваний), включает исследование по типу «случай-контроль» и когортное исследование;

Экспериментальное исследование принципиально отличается тем, что исследователь произвольно назначает фактор воздействия в соответствии с целью эксперимента. Главным критерием для выбора экспериментального метода является наличие небольшого, но потенциально важного эффекта от вмешательства, который невозможно выявить другими способами».

На практике чаще всего приходится иметь дело с различными видами описательного исследования. Результаты такого исследования представляются в виде таблицы, где каждый столбец – это характеристика, а каждая строка – шифр пациента. Признаки шифруются, только после этого с ними можно работать. Исходная задача – «извлечь максимум информации» – впоследствии будет детализирована для проведения конкретных статистических расчетов. 
Все многообразие таких расчетов сводится к решению задач, типовыми из которых являются следующие:

оценка неизвестного параметра закона распределения (нахождение среднего, дисперсии – описательная статистика);

проверка гипотез, в том числе гипотез о виде закона распределения (как правило, о его нормальности);

планирование эксперимента; 

построение прогностического алгоритма;

дискриминантный анализ – позволяет разделить пациентов по заболеваниям. Чувствительность дискриминирующей функции довольно высока. Если чувствительность достигает 95%, это означает, что в 95 случаях из ста удается правильно распознать заболевание.

Вначале статистика применялась в основном в области социально-экономических наук и демографии, а это неизбежно заставляло исследователей более глубоко заниматься вопросами медицины.

Основателем теории статистики считается бельгийский статистик Адольф Кетле (1796—1874). Он приводит примеры использования статистических наблюдений в медицине: “Два профессора сделали любопытное наблюдение относительно скорости пульса. Сравнив мои наблюдения с их данными, они заметили, что между ростом и числом пульса существует зависимость. Возраст может влиять на пульс только при изменении роста, который играет в этом случае роль регулирующего элемента. Число ударов пульса находится, таким образом, в обратном отношении с квадратным корнем роста. Приняв за рост среднего человека 1,684 м, они полагают число ударов пульса равным 70. Имея эти данные, можно вычислить число ударов пульса у человека какого бы то ни было роста”.

Самым активным сторонником использования статистики был основоположник военно-полевой хирургии Н. И. Пирогов. Еще в 1849г., говоря об успехах отечественной хирургии, он указывал: “Приложение статистики для определения диагностической важности симптомов и достоинства операций можно рассматривать как важное приобретение новейшей хирургии”.

В 60-е годы XX века, после очевидных успехов прикладной статистики в технике и точных науках, вновь начал расти интерес к использованию статистики в медицине. В.В. Алпатов в статье “О роли математики в медицине” писал: “Чрезвычайно важна математическая оценка терапевтических воздействий на человека. Новые лечебные мероприятия имеют право заменить собою мероприятия, уже вошедшие в практику, лишь после обоснованных статистических испытаний сравнительного характера. ... Огромное применение может получить статистическая теория в постановке клинических и неклинических испытаний новых терапевтических и хирургических мероприятий.

Прошли те времена, когда применение статистических методов в медицине ставилось под сомнение. Статистические подходы лежат в основе современного научного поиска, без которого познание во многих областях науки и техники невозможно. Невозможно оно и в области медицины.

Медицинская статистика должна быть нацелена на решение наиболее выраженных современных проблем в здоровье населения. Основными проблемами здесь, как известно, являются необходимость снижения заболеваемости, смертности и увеличения продолжительности жизни населения. Соответственно, на данном этапе основная информация должна быть подчинена решению этой задачи. Должны подробно проводиться данные, характеризующие с разных сторон ведущие причины смерти, заболеваемости, частоту и характер контактов больных с медицинскими учреждениями, обеспечение нуждающихся необходимыми видами лечения, включая высокотехнологичные.

В настоящее время, согласно требованиям государственных стандартов и действующих программ обучения в медицинских учреждениях, основной задачей изучения дисциплины "Математика" является вооружение студентов математическими знаниями и умениями, необходимыми для изучения специальных дисциплин базового уровня, а в требованиях к профессиональной подготовленности специалиста заявлено умение решать профессиональные задачи с использованием математических методов. Такое положение не может не сказываться на результатах математической подготовки медиков. От этих результатов в определённой степени зависит уровень профессиональной компетентности медперсонала. Данные результаты показывают, что, изучая математику, в дальнейшем медработники приобретают те или иные профессионально-значимые качества и умения, а также применяют математические понятия и методы в медицинской науке и практике.

Профессиональная направленность математической подготовки в медицинских образовательных учреждениях должна обеспечивать повышение уровня математической компетентности студентов-медиков, осознание ценности математики для будущей профессиональной деятельности, развитие профессионально значимых качеств и приёмов умственной деятельности, освоение студентами математического аппарата, позволяющего моделировать, анализировать и решать элементарные математические профессионально значимые задачи, имеющие место в медицинской науке и практике, обеспечивая преемственность формирования математической культуры студентов от первого к старшим курсам и воспитание потребности в совершенствовании знаний в области математики и её приложений.

2. Место математики в медицине на примере МГУ им. М.В.Ломоносова

Недавно в НИИ физико-химической биологии МГУ разработан новый принцип конструирования лекарственных препаратов: адресная внутриклеточная доставка биологически активных веществ. Удалось синтезировать новый митохондриальный антиоксидант, являющийся прототипом лекарств, предназначенных для борьбы с целым рядом заболеваний у пациентов пожилого возраста (ученые добились выдающихся результатов – остается внедрить их в клиническую практику, для чего необходимы значительные финансовые вложения). Совместная работа врачей и ученых НИИ пульмонологии с сотрудниками химического и механико-математического факультетов МГУ привела к разработке новых методов неинвазивной диагностики болезней органов дыхания: основанные на анализе конденсата выдыхаемого воздуха, они позволяют определять содержание в нем ряда веществ – индикаторов заболеваний (например созданы биосенсеры, которые могут проводить диагностику по содержанию перекиси водорода в выдыхаемом воздухе).

Рассмотрим, что же в этих совместных исследованиях делают математики. Оказывается, что конденсат характеризуется значительным количеством параметров, и это – абстрактное многопараметрическое пространство можно разделить на «зоны» бронхиальной астмы, хронической обструктивной болезни легких и здорового состояния – тем самым дается строго математически обоснованное состояние этих состояний легких (наряду с определением в лабораторных условиях).

Однако значение математики для медицины не ограничивается строгой формализацией экспериментальных данных. Немало других примеров использования учеными МГУ математического моделирования в целях медицинского применения. Разрабатываются прототипы вестибулярных протезов для пациентов с нарушениями вестибулярной функции: ключевое звено – математическое моделирование биосенсоров вестибулярного аппарата (эти работы – продолжение исследований по динамической имитации воздействия на организм человека всех этапов аэрокосмического полета). Создан медицинский инструментарий, оснащенный сенсорной системой, имитирующей осязательную функцию человеческого пальца. На основе усовершенствованных математических методов обработки изображений и распознавания образов была создана опытная партия медицинских приборов, предназначенных для исследования удаленных тканей и работы внутри полостей (в грудной и брюшной полостях, забрюшинном пространстве, полостях суставов), разработана технология их массового производства и клинического применения, проводятся их медицинские испытания в ведущих клиниках и специалисты дают им самую высокую оценку. Такое оборудование (не имеющее мировых аналогов) могло быть создано только объединенными междисциплинарными усилиями ученых-математиков, врачей, специалистов промышленных и оборонных предприятий.

Результаты многочисленных научных исследований, находящие применение в медицине, и сама логика развития университетского образования закономерно привели к необходимости решения вопроса о месте медицины в МГУ им. М.В.Ломоносова – то есть возрождения традиции университетского медицинского образования, более того, восстановления исторической справедливости. И такое решение было принято в 1992 г., когда ученый совет университета поддержал инициативу ректора о создании факультета фундаментальной медицины – так, на новом уровне развития науки в МГУ было воссоздано медицинское образование и медицина вернулась в его стены де-юре (хоте де-факто не покидала их никогда). Современное медицинское образование невозможно без мощной собственной клинической базы – эта идея выдвигалась сразу при создании факультета фундаментальной медицины. И вот сегодня, при безусловной поддержке правительства Москвы, строительство медицинского центра МГУ уже закончено: в текущем году он вводится в эксплуатацию в полном объеме – на 6 га новой территории университета возведены 11 корпусов центра общей площадью 45 тыс. м2, где расположились клиники, операционные, лаборатории, оснащенные самым высокосовременным медицинским оборудованием. Это позволяет проводить не только комплексную диагностику, но и развивать приоритетные направления современной биомедицины и биотехнологий; предусматривает широкое внедрение современных стационарозамещающих технологий. В ходе занятий студенты имеют возможность непосредственно наблюдать за выполнением хирургических операций и сложных методов диагностики. Таким образом, медицинский центр МГУ – уникальная, современная, многопрофильная университетская клиника: клиника XXI века, соответствующая мировым стандартам медицинского образования и здравоохранения. Перед входом в медицинский центр решено установить памятник А.П. Чехову. Его диплом об окончании медицинского факультета Московского университета и присвоении звания земского врача был подписан деканом Н.В. Склифософским в 1884 г. А.П. Чехов не только прославил русскую литературу, но и всю жизнь оставался врачом: его отличало особое, душевное и заботливое отношение к пациентам, многих из них он лечил бесплатно (словно наперекор своей литературной славе, в шутливой форме сам расставлял свои приоритеты, говоря, что медицина – это его законная жена, а литература – любовница). Будущий памятник великому гуманисту станет символом того, что МГУ им. М.В. Ломоносова – это колыбель выдающихся граждан своей родины, то место, которое позволяет в полной мере раскрыться талантам ученых, врачей, писателей, – подчеркнул ректор.

У факультета фундаментальной медицины МГУ есть все необходимые условия для подготовки высококлассных специалистов, особенностью подготовки студентов-медиков является их фундаментальное научное образование. На первых годах обучения они проходят серьезные университетские курсы по математике, физике, химии, биологии, которые читают лучшие профессора механико-математического, физического, химического, биологического факультетов. Это позволяет выпускникам в дальнейшей работе легко осваивать современные идеи и методы, новейшие медицинские технологии, а значит – быть востребованными во всех медицинских учреждениях страны. Учеными факультета достигнут целый ряд важных результатов, например:

• ведется разработка технологий клеточной терапии и тканевой инженерии: для этого создаются методы выделения и очистки стволовых клеток, на основе которых конструируются тканевые эквиваленты, способные восстанавливать структуру и функцию поврежденных органов и тканей. В экспериментах на животных проводится трансплантация стволовых клеток и ткане-инженерных конструкций, полученных с использованием биосовместимых (или биодеградированных) матриксов, – эти конструкции восстанавливают кожный покров после ожогов, замещает костные и хрящевые дефекты;
• созданы терапевтические гены, которые вызывают рост кровеносных сосудов, что позволяет без хирургического вмешательства улучшать кровоснабжение тканей и останавливать дегенеративные процессы в органах. Эти генно-терапевтические методы могут быть использованы для лечения инфаркта миокарда, инсульта, ишемии конечностей, трофических нарушений, последствий травм и ранений, заболеваний суставов и др. (испытания прошли успешно, результаты находятся на стадии внедрения в клиническую практику);
• на основе анализа генотипического и фенотипического полиморфизма человека предложены новые методы выявления предрасположенности людей к различным заболеваниям. Для этой цели создаются большие коллекции ДНК и соответствующие базы данных, разрабатываются алгоритмы многофакторного анализа преморбидных признаков – с целью поиска генов-предикторов или их сочетаний, имеющих предсказательную ценность для прогноза развития и течения заболеваний или их осложнений (вся эта деятельность построена на совместной работе медиков, математиков, информатиков, представителей целого ряда других дисциплин и научных ответвлений);
• специально для медицинского центра ученые факультета фундаментальной медицины совместно с учеными физического факультета, института ядерной физики и института механики МГУ разрабатывают прибор для лучевой терапии онкологических заболеваний – так называемый кибернож нового поколения. В его основу положен уникальный линейный ускоритель с соединяющейся энергией электронов, которому нет аналогов в мире (все действующие установки этого типа имеют постоянную энергию электронов, а этот прибор позволяет облучать опухоли и метастазы тонким пучком электронов высоких энергий в одном сеансе в более чем тысяче направлений одновременно).

Важнейшей областью приложения математики в целом – и усилий ученых факультета фундаментальной медицины в частности – является создание новых лекарственных средств. В современных условиях эта задача под силу только развитым государствам – странам с высоким уровнем развития фундаментальной науки и мощной высокотехнологичной информационной инфраструктурой. По мнению В. Садовничего, сегодня одним из главных для России является вопрос о производстве современных отечественных лекарств. Не закупка устаревшей продукции биофармацевтических фабрик, где самым выдающимся прибором является ферментер, – а создание новейших высокотехнологичных лекарств российского производства. Сегодня МГУ располагает для этого базой, открывающей значительные возможности, в том числе и в создании лекарств: прежде всего для этого нужен суперусилитель – в России таких 7, из них 3 работают в МГУ. Вообще, ранее считалось, что Россия не игрок на поле высоких компьютерных технологий и отстала навсегда, – однако за два последних года на этом поприще произошел прорыв. Во-первых, РФ вышла на 7-е место в мире, а сам суперкомпьютер-суперусилитель МГУ «Ломоносов», имеющий производительность около 500 трлн операций в секунду, занял 12-е место (уступив лишь 9 суперкомпьютерам оборонных центров США и по одному из Германии и Китая): в ситуации, когда такое считалось невозможным, это большой успех.

«Ломоносов» успешно применяется на начальных стадиях создания лекарств, состоящих в поиске новых химических соединений – игибиторов, блокирующих патологические участки активных центров белков. Так, совместно с гематологическим центром РАМН проводится работа по созданию нового средства от тромбоза и поиску нового поколения кровезаменителей. Всего за полтора года (вместо 7–10 лет при использовании традиционных подходов) были открыты новые ингибиторы тромбина, по своей активности существенно превосходящие зарубежные аналоги; завершены доклинические испытания и идет подготовка к клиническим испытаниям созданного нового антитромботического средства. Ввод в строй 2 года назад другого суперкомпьютера меньшей мощности – «Чебышев» (пиковая производительность 60 терафлопс) – позволяет сократить продолжительность поиска ингибиторов до нескольких месяцев. С его помощью были осуществлены разработки ингибиторов интегразы ВИЧ (в качестве основы для нового лекарства от СПИДа), а также соединений, способных останавливать деление раковых клеток путем подавления ряда основных патофизиологических механизмов этого процесса. Между тем «Ломоносов»», введенный в эксплуатацию в 2009 г., сокращает поиск ингибиторов до нескольких дней: за счет этого существенно расширился спектр разработки новых лекарств. В настоящее время на суперкомпьютере «Ломоносов» проводятся расчеты по новым проектам, среди которых – разработка ингибиторов урокиназы (блокирование которой замедляет рост опухоли и метастазов). Главный инструмент в начальных стадиях разработки – это оригинальная программа допинга: поиска соответствующих молекул в активном центре белка-мишени, учитывающего энергию связи «ингибитор – белок» (чем больше энергия этой связи – тем эффективнее ингибитор и тем лучше разработанный на его основе препарат). Сейчас идет поиск этих новых молекулярных групп, эффективно связывающихся с активным центром урокиназы; начат уникальный исследовательский эксперимент по допингу более 3 млн молекул. Найденные в результате этого допинга молекулы – кандидаты в игибиторы будут далее экспериментально исследоваться уже на факультете фундаментальной медицины. Тем самым, фактически, запускается процесс стабильной разработки новейших лекарств. На этом сверхчувствительном первом этапе – когда отбор проводится из миллионов и десятков миллионов молекул, что в целях оценки их связываемости с активным центром белка требует проведения миллиардов и десятков миллиардов операций (что возможно только для суперусилителя), – закладывается фундамент всех дальнейших стадий создания лекарств: фармацевтической разработки, клинических испытаний, регистрационных исследований, вплоть до вывода на рынок: для этого уже фармацевтические компании должны подхватывать эти фундаментальные разработки.

Сегодня необходимо сохранение лучших традиций отечественного образования и науки, за такую систему образования, при которой в полной мере будет использован весь имеющийся научный и педагогический потенциал, которая позволит сделать молодежь по-настоящему фундаментально образованной и способной к созиданию. В фундаментальности образования – залог успешного развития науки, медицины, экономики, страны в целом. В то же время была дана негативная оценка попыткам исключить фундаментальные знания из университетского образования или принизить их роль в процессе обучения. Но без них невозможно понимание природы явлений, а следовательно – невозможна подготовка специалистов, которые будут не бездумными исполнителями, а творческими работниками, людьми, способными осуществлять эволюционное развитие в соответствующих сферах деятельности. Не менее важно и то, что человек, получивший глубокое фундаментальное образование, в состоянии комплексно и системно оценить все последствия тех или иных управленческих решений, и обеспечить условия для устойчивого развития общества. Кроме того, фундаментальное образование является основой для последующего обучения и переподготовки человека на протяжении всей жизни. Докладчик безоговорочно осудил подход, когда науку рассматривают сквозь призму краткосрочной экономической целесообразности, быстрой финансовой отдачи. Перенос рыночных механизмов в сферу образования и науки чреват невосполнимыми стратегическими потерями, которые в перспективе могут оказаться более ощутимыми, чем сегодняшняя выгода. Ведь результаты фундаментальных исследований, после внедрения и с началом практического применения, как правило, многократно превышают результаты прикладных работ – как по итоговой экономической эффективности, так и социальной значимости.

Недавно в составе междисциплинарного научно-образовательного комплекса МГУ им. М.В. Ломоносова впервые в России был создан Институт человека, который объединяет усилия специалистов, занимающихся изучением человека различными методами естественно-научных фундаментальных исследований, интегрирует самые разные области науки – биологию, физику, химию, математику, антропологию, различные другие гуманитарные дисциплины. Научная деятельность Института человека – одно из приоритетных направлений программы деятельности развития университета, разработанной до 2020 г. в соответствии с принятым в конце года «Законом РФ о Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова» и указом Президента РФ. Создание такого института в составе МГУ было велением времени. Оратор напомнил, что согласно теории Н.Д. Кондратьева развитие подчиняется закону длинных волн (или циклов), когда один экономический уклад сменяется другим. Нынешний, 5-й уклад (связанный с достижениями электроники, вычислительной техники, применением лазера, телекоммуникационных технологий и др.) в наши годы меняется на 6-й, – который, по мнению большинства специалистов, будет определяться конвергенцией нано-, био-, информационных и когнитивных технологий. А это – те отрасли знаний, где главным действующим лицом должен быть человек. Поэтому все выдающиеся научные достижения должны быть во имя человека, – подытожил академик В. Садовничий.

Заключение

Медицина не поддаётся такой формализации, как, например, физика. Однако несомненна большая эпизодическая роль математики в медицинской науке. Все медицинские открытия должны опираться на численные соотношения. А методы теории вероятности (учёт статистики заболеваемости в зависимости от различных факторов) - и вовсе вещь в медицине необходимая. В медицине без математики шагу не ступить. Численные соотношения, например, учёт дозы и периодичности приёма лекарств. Численный учёт сопутствующих факторов, таких как: возраст, физические параметры тела, иммунитет и пр.

Медицинские работники не должны закрывать глаза хотя бы на математику, которая просто необходима для организации быстрой, четкой и качественной работы. Каждый студент должен с первого курса обучения отметить для себя значение высшей математики и ее роли в медицине.

Список литературы

1. Гилярова М.Г. Математика для медицинских колледжей. – Ростав-на-Дону: Феникс. 2013.
2. Какзанова Е.М. Лингвокогнитивные и культурологические особенности научного дискурса (на материале математических и медицинских терминов-эпонимов). Канд.дисс. – М., 2011.
3. Медик В.А., Токмачев М.С. Математическая статистика в медицине. – М.: Финансы и статистика, 2009.
4. Сорокина Т. С. История медицины. – 9-е изд.. – М., 2009.
5. Сороходов Л. Я. Краткий очерк истории русской медицины / Л. Я. Скороходов; науч. ред. и коммент. М. В. Супотницкого. – М.: Вузовская книга, 2010.