Φωτογραφία: Εργαστήριο κβαντικών τεχνολογιών με ψυκτική διάταξη

Ο όρος «κβαντική ιατρική» μπορεί να προκαλέσει σύγχυση, επειδή χρησιμοποιείται για διαφορετικά πράγματα. Μπορεί να περιγράφει σοβαρή έρευνα στο σημείο όπου συναντώνται η κβαντική φυσική, η βιολογία και η ιατρική τεχνολογία. Μπορεί να αναφέρεται σε ένα μάθημα για τις μελλοντικές εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών στην υγεία. Χρησιμοποιείται όμως και ως όνομα για ορισμένες εναλλακτικές διαγνωστικές ή θεραπευτικές πρακτικές. Για να αξιολογήσουμε έναν τίτλο σπουδών ή μια ιατρική υπηρεσία, πρέπει πρώτα να μάθουμε ποια από αυτές τις έννοιες εννοείται.

Στο βιβλίο Quantum Supremacy (Κβαντική Υπεροχή), ο Μίτσιο Κάκου αφιερώνει ένα ολόκληρο μέρος στην «Quantum Medicine». Στο κεφάλαιο «Quantum Health» περιγράφει πώς οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν στο μέλλον να βοηθήσουν στον σχεδιασμό φαρμάκων, στη μελέτη μορίων και στην κατανόηση ασθενειών. Η διατύπωση έχει σημασία: το βιβλίο συζητά κυρίως ερευνητικές προοπτικές, όχι μια θεραπεία που εφαρμόζεται ήδη με την ονομασία «κβαντική ιατρική».

Από την κβαντική φυσική στην ιατρική

Με τη στενότερη επιστημονική έννοια, το πεδίο αφορά την εφαρμογή της κβαντικής φυσικής στη μελέτη βιολογικών συστημάτων ή στην κατασκευή ιατρικών τεχνολογιών. Η κβαντική υπολογιστική, για παράδειγμα, ερευνάται ως πιθανό εργαλείο για την προσομοίωση μοριακών αλληλεπιδράσεων και την ανακάλυψη φαρμάκων. Το αμερικανικό Εθνικό Ινστιτούτο Υγείας (NIH) διαθέτει πρόγραμμα που διερευνά τέτοιες εφαρμογές στη βιοϊατρική έρευνα.

Η ύπαρξη του προγράμματος δείχνει ότι πρόκειται για υπαρκτό ερευνητικό αντικείμενο· δεν σημαίνει ότι κάθε προτεινόμενη εφαρμογή έχει αποδειχθεί ή έχει περάσει στην κλινική πράξη.

Μια δεύτερη κατεύθυνση είναι οι κβαντικοί αισθητήρες: συσκευές που αξιοποιούν κβαντικά φαινόμενα για να μετρούν εξαιρετικά ασθενή σήματα. Ερευνητές εξετάζουν πώς τέτοιες συσκευές θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη βιοϊατρική απεικόνιση ή να αποκαλύψουν διεργασίες μέσα στα κύτταρα. Το University College London (UCL), για παράδειγμα, παρουσιάζει διδακτορικά ερευνητικά θέματα στις Quantum Sensing Technologies for Biomedicine. Οι προοπτικές που περιγράφει —όπως νέοι διαγνωστικοί αισθητήρες— αποτελούν αντικείμενα ανάπτυξης και έρευνας.

Υπάρχει, τέλος, η ευρύτερη σχέση ιατρικής φυσικής και κβαντικής θεωρίας. Η μαγνητική τομογραφία είναι μια καθιερωμένη ιατρική τεχνολογία που βασίζεται, μεταξύ άλλων, στις ιδιότητες των πρωτονίων. Το ότι η φυσική της έχει κβαντική βάση δεν σημαίνει ότι ο ακτινολόγος ή ο ιατρικός φυσικός κατέχει ειδικότητα με τίτλο «κβαντική ιατρική». Δείχνει όμως ότι η κβαντική φυσική έχει πραγματική θέση στην ιατρική τεχνολογία.

Τι προσφέρουν τα πανεπιστήμια;

Υπάρχουν πανεπιστημιακά μαθήματα, ερευνητικά προγράμματα και σύντομες εκπαιδεύσεις που συνδέουν τις κβαντικές τεχνολογίες με την υγεία. Άλλο είναι ένα διδακτορικό ερευνητικό πρόγραμμα, άλλο ένα μεταπτυχιακό στη φυσική και άλλο ένα ολιγόωρο σεμινάριο συνεχιζόμενης επαγγελματικής εκπαίδευσης.

Η συνολική εικόνα είναι: η κβαντική ιατρική υπάρχει ως όρος για υπαρκτή διεπιστημονική έρευνα και συναφή εκπαίδευση, αλλά δεν αποτελεί από μόνη της αναγνωρισμένη ιατρική ειδικότητα. 

Κβαντική υπεροχή

του Michio Kaku

Κεφάλαιο 10 — Κβαντική υγεία

Πόσο μπορείς να ζήσεις;

(Απο το βιβλίο του Michio Kaku με τίτλο Quantum Supremacy)

Στο μεγαλύτερο μέρος της ανθρώπινης ιστορίας, το μέσο προσδόκιμο ζωής κυμαινόταν μεταξύ είκοσι και τριάντα ετών. Η ζωή ήταν συχνά σύντομη και δύσκολη. Οι άνθρωποι ζούσαν με τον διαρκή φόβο της επόμενης επιδημίας ή του επόμενου λιμού.

Οι ιστορίες της Βίβλου και άλλων αρχαίων κειμένων είναι γεμάτες επιδημίες και ασθένειες. Αργότερα, αυτές οι ιστορίες γέμισαν ορφανά και κακές μητριές, επειδή οι γονείς συχνά δεν ζούσαν αρκετά ώστε να μεγαλώσουν τα παιδιά τους.

Δυστυχώς, στο μεγαλύτερο μέρος της ιστορίας, οι γιατροί δεν ήταν πολύ καλύτεροι από κομπογιαννίτες και απατεώνες: χορηγούσαν με στόμφο «θεραπείες» που συχνά χειροτέρευαν την κατάσταση του ασθενούς. Οι πλούσιοι μπορούσαν να πληρώνουν ιδιωτικούς γιατρούς, οι οποίοι κρατούσαν ζηλότυπα μυστικά τα άχρηστα παρασκευάσματά τους, ενώ οι φτωχοί συχνά πέθαιναν μέσα στην ένδεια, σε βρόμικα και υπερπλήρη νοσοκομεία. (Όλα αυτά τα σατίρισε ο Γάλλος θεατρικός συγγραφέας Μολιέρος στην ξεκαρδιστική κωμωδία Ο γιατρός με το στανιό, όπου ένας φτωχός χωρικός εκλαμβάνεται ως σπουδαίος γιατρός και εξαπατά τους πάντες χρησιμοποιώντας βαρύγδουπες, επινοημένες λατινικές λέξεις για να δίνει γελοίες ιατρικές συμβουλές.)

Ωστόσο, ορισμένες ιστορικές πρόοδοι αύξησαν το προσδόκιμο ζωής μας. Πρώτη ήταν η βελτίωση της υγιεινής. Οι αρχαίες πόλεις ήταν συχνά γεμάτες σάπια τρόφιμα και ανθρώπινα απόβλητα. Οι κάτοικοι πετούσαν συστηματικά τα σκουπίδια τους στον δρόμο. Οι δρόμοι έμοιαζαν συχνά με δύσοσμο στίβο εμποδίων, ιδανικό για την εξάπλωση ασθενειών. Κατά τον 19ο αιώνα, όμως, οι πολίτες άρχισαν να καταγγέλλουν αυτές τις ανθυγιεινές συνθήκες. Έτσι δημιουργήθηκαν αποχετευτικά συστήματα και βελτιώθηκε η υγιεινή, με αποτέλεσμα να εξαλειφθούν δεκάδες θανατηφόρες ασθένειες που μεταδίδονταν με το νερό. Αυτό πρόσθεσε ίσως δεκαπέντε έως είκοσι χρόνια στο προσδόκιμο ζωής μας.

Η επόμενη επανάσταση προέκυψε από τους αιματηρούς ευρωπαϊκούς πολέμους που σάρωσαν την ήπειρο κατά τον 19ο αιώνα. Πέθαιναν τόσοι στρατιώτες από τα ανοιχτά τραύματα των μαχών, ώστε βασιλιάδες και μονάρχες υπόσχονταν πλουσιοπάροχες αμοιβές για θεραπείες που πραγματικά λειτουργούσαν. Ξαφνικά, οι φιλόδοξοι γιατροί, αντί να προσπαθούν απλώς να εντυπωσιάσουν πλούσιους προστάτες με άχρηστα παρασκευάσματα, άρχισαν να δημοσιεύουν άρθρα για θεραπείες που όντως βοηθούσαν τους ασθενείς. Τα ιατρικά περιοδικά πολλαπλασιάστηκαν, καταγράφοντας προόδους που στηρίζονταν σε πειραματικές αποδείξεις και όχι μόνο στη φήμη του συγγραφέα.

Αυτή η νέα στάση γιατρών και επιστημόνων προετοίμασε το έδαφος για επαναστατικές εξελίξεις, όπως τα αντιβιοτικά και τα εμβόλια. Αυτά έμελλε να νικήσουν πλήθος θανατηφόρων ασθενειών, προσθέτοντας ίσως άλλα δέκα έως δεκαπέντε χρόνια στο μέσο προσδόκιμο ζωής. Η καλύτερη διατροφή, η χειρουργική, η Βιομηχανική Επανάσταση και άλλοι παράγοντες συνέβαλαν επίσης στην αύξησή του.

Έτσι, σήμερα το μέσο προσδόκιμο ζωής σε πολλές χώρες βρίσκεται στη δεκαετία των εβδομήντα ετών.

Δυστυχώς, πολλές από αυτές τις ανακαλύψεις της σύγχρονης ιατρικής οφείλονταν στην τύχη και όχι σε προσεκτικό σχεδιασμό. Δεν υπήρχε συστηματικός τρόπος αναζήτησης θεραπειών για τις ασθένειες αυτές· οι ανακαλύψεις γίνονταν κυρίως από ευτυχή σύμπτωση.

Για παράδειγμα, το 1928 ο Αλεξάντερ Φλέμινγκ παρατήρησε κατά λάθος ότι σωματίδια μούχλας μπορούσαν να σκοτώσουν βακτήρια που αναπτύσσονταν σε τρυβλίο Πέτρι. Αυτή η παρατήρηση πυροδότησε επανάσταση στην περίθαλψη. Αντί να παρακολουθούν ανήμποροι τους ασθενείς τους να πεθαίνουν από συνηθισμένες ασθένειες, οι γιατροί μπορούσαν πλέον να τους χορηγούν αντιβιοτικά, όπως η πενικιλίνη, τα οποία, για πρώτη φορά στην ανθρώπινη ιστορία, μπορούσαν πράγματι να τους θεραπεύσουν. Σύντομα εμφανίστηκαν αντιβιοτικά για τη χολέρα, τον τέτανο, τον τυφοειδή πυρετό, τη φυματίωση και πολλές άλλες ασθένειες. Οι περισσότερες από αυτές τις θεραπείες, όμως, ανακαλύφθηκαν με δοκιμές και λάθη.

Η άνοδος των ανθεκτικών στα φάρμακα μικροβίων

Τα αντιβιοτικά υπήρξαν τόσο αποτελεσματικά και συνταγογραφήθηκαν τόσο συχνά, ώστε τώρα τα μικρόβια αντεπιτίθενται. Δεν πρόκειται για θεωρητικό ζήτημα: τα ανθεκτικά στα φάρμακα μικρόβια αποτελούν σήμερα ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα δημόσιας υγείας. Θανατηφόρες ασθένειες που κάποτε είχαν σχεδόν εξαλειφθεί, όπως η φυματίωση, επιστρέφουν σταδιακά σε επιθετικές μορφές που δεν θεραπεύονται εύκολα. Αυτά τα «υπερμικρόβια» είναι συχνά ανθεκτικά ακόμη και στα νεότερα αντιβιοτικά, αφήνοντας τον πληθυσμό απροστάτευτο απέναντί τους.

Επιπλέον, καθώς η ανθρωπότητα επεκτείνεται σε περιοχές που παλαιότερα ήταν ανεξερεύνητες και ακατοίκητες, εκτιθέμεθα συνεχώς σε νέες ασθένειες απέναντι στις οποίες δεν έχουμε ανοσία. Υπάρχει, επομένως, ένα τεράστιο απόθεμα άγνωστων ασθενειών που μπορεί να περάσουν στον άνθρωπο και να τον μολύνουν.

Ορισμένοι πιστεύουν ότι η χρήση αντιβιοτικών σε μεγάλη κλίμακα στα ζώα έχει επιταχύνει αυτή την τάση. Οι αγελάδες, για παράδειγμα, μπορούν να γίνουν εστίες ανάπτυξης ανθεκτικών μικροβίων, επειδή οι κτηνοτρόφοι μερικές φορές χορηγούν υπερβολικές ποσότητες αντιβιοτικών προκειμένου να αυξήσουν την παραγωγή γάλακτος και τροφίμων.

Εξαιτίας του κινδύνου να επιστρέψουν αυτές οι ασθένειες ισχυρότερες από ποτέ, υπάρχει επείγουσα ανάγκη για μια νέα γενιά αντιβιοτικών, αρκετά οικονομικών ώστε να δικαιολογείται το κόστος ανάπτυξής τους. Δυστυχώς, σύμφωνα με τον συγγραφέα, δεν είχαν αναπτυχθεί νέες κατηγορίες αντιβιοτικών τα προηγούμενα τριάντα χρόνια. Τα αντιβιοτικά που χρησιμοποιούσαν οι γονείς μας είναι περίπου τα ίδια με εκείνα που χρησιμοποιούμε σήμερα. Ένα πρόβλημα είναι ότι πρέπει να δοκιμαστούν χιλιάδες χημικές ουσίες για να εντοπιστούν λίγα υποσχόμενα φάρμακα. Με αυτές τις μεθόδους, η ανάπτυξη μιας νέας κατηγορίας αντιβιοτικών κοστίζει περίπου 2 έως 3 δισεκατομμύρια δολάρια.

Πώς λειτουργούν τα αντιβιοτικά

Χάρη στη σύγχρονη τεχνολογία, οι επιστήμονες έχουν σταδιακά κατανοήσει πώς δρουν ορισμένα είδη αντιβιοτικών. Η πενικιλίνη και η βανκομυκίνη, για παράδειγμα, παρεμβαίνουν στην παραγωγή μιας ουσίας που ονομάζεται πεπτιδογλυκάνη και είναι απαραίτητη για τη δημιουργία και την ενίσχυση του κυτταρικού τοιχώματος των βακτηρίων. Έτσι, τα φάρμακα αυτά προκαλούν τη διάλυση του τοιχώματος.

Μια άλλη κατηγορία φαρμάκων, οι κινολόνες, διαταράσσει τη χημεία της αναπαραγωγής των βακτηρίων, με αποτέλεσμα το DNA τους να μη λειτουργεί σωστά και τα βακτήρια να μην μπορούν να πολλαπλασιαστούν.

Μια άλλη κατηγορία, στην οποία ανήκει η τετρακυκλίνη, παρεμβαίνει στην ικανότητα των βακτηρίων να συνθέτουν μια βασική πρωτεΐνη. Μια ακόμη κατηγορία εμποδίζει τα κύτταρα να παράγουν φυλλικό οξύ, επηρεάζοντας έτσι την ικανότητα των βακτηρίων να ελέγχουν τις χημικές ουσίες που περνούν από το κυτταρικό τους τοίχωμα.

Γιατί, παρά αυτές τις προόδους, η ανάπτυξη νέων αντιβιοτικών παραμένει τόσο δύσκολη;

Ένας λόγος είναι ότι χρειάζεται πολύς χρόνος —συχνά πάνω από δέκα χρόνια— για την ανάπτυξή τους. Τα φάρμακα πρέπει να υποβληθούν σε προσεκτικές δοκιμές για να διασφαλιστεί η ασφάλειά τους, μια διαδικασία χρονοβόρα και δαπανηρή. Και έπειτα από μια δεκαετία σκληρής δουλειάς, το τελικό προϊόν συχνά δεν αποφέρει αρκετά χρήματα για να καλύψει το κόστος του. Για πολλές φαρμακευτικές εταιρείες, το αποφασιστικό ζήτημα είναι αν οι πωλήσεις θα αντισταθμίσουν τη δαπάνη ανάπτυξης.

Ο ρόλος της κβαντικής ιατρικής

Το πρόβλημα είναι ότι, όπως και στον σχεδιασμό μπαταριών από την εποχή του Βόλτα, η βασική στρατηγική δεν έχει αλλάξει πολύ από την εποχή του Φλέμινγκ. Ουσιαστικά, εξακολουθούμε να δοκιμάζουμε στα τυφλά διάφορες υποψήφιες ουσίες εναντίον μικροβίων μέσα σε τρυβλία Πέτρι. Σήμερα, χάρη στον αυτοματισμό και τη ρομποτική, μπορούμε να δοκιμάζουμε ταυτόχρονα υποσχόμενα φάρμακα σε χιλιάδες τρυβλία με διαφορετικά παθογόνα. Εξακολουθούμε όμως να ακολουθούμε τη βασική προσέγγιση που εγκαινίασε ο Φλέμινγκ πριν από έναν αιώνα.

Από τότε, η στρατηγική μας ήταν:

Δοκιμή υποσχόμενης ουσίας → διαπίστωση αν σκοτώνει τα βακτήρια → εντοπισμός του μηχανισμού δράσης της

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να ανατρέψουν πλήρως αυτή τη διαδικασία και να επιταχύνουν την αναζήτηση νέων φαρμάκων που σώζουν ζωές. Ίσως μια μέρα αποκτήσουν αρκετή ισχύ ώστε να μας καθοδηγούν συστηματικά στην ανακάλυψη νέων τρόπων καταστροφής των βακτηρίων. Αντί να περνούμε δεκαετίες δοκιμάζοντας διαφορετικά φάρμακα, ενδέχεται να μπορούμε να σχεδιάζουμε γρήγορα νέα φάρμακα μέσα στη μνήμη ενός κβαντικού υπολογιστή.

Αυτό σημαίνει ότι η σειρά των βημάτων θα αντιστραφεί:

Εντοπισμός του μηχανισμού δράσης → διαπίστωση αν σκοτώνει τα βακτήρια → δοκιμή υποσχόμενης ουσίας

Αν, για παράδειγμα, κατανοήσουμε σε μοριακό επίπεδο τον βασικό μηχανισμό με τον οποίο τα αντιβιοτικά σκοτώνουν τα μικρόβια, θα μπορούσαμε να αξιοποιήσουμε αυτή τη γνώση για να δημιουργήσουμε νέα φάρμακα. Θα ξεκινούσαμε επιλέγοντας τον επιθυμητό μηχανισμό —όπως τη διάσπαση του κυτταρικού τοιχώματος ενός βακτηρίου— και στη συνέχεια θα χρησιμοποιούσαμε κβαντικούς υπολογιστές για να βρούμε πώς μπορεί να επιτευχθεί αυτό, εντοπίζοντας αδύνατα σημεία στο τοίχωμα. Έπειτα θα δοκιμάζαμε διαφορετικά φάρμακα που θα μπορούσαν να επιτελέσουν αυτή τη λειτουργία και, τέλος, θα επικεντρωνόμασταν στα λίγα που είναι πράγματι αποτελεσματικά κατά του βακτηρίου.

Η προσομοίωση του μορίου της πενικιλίνης σε έναν συμβατικό υπολογιστή, για παράδειγμα, αποτελεί τεράστια πρόκληση. Σύμφωνα με την εκτίμηση που παραθέτει ο συγγραφέας, θα απαιτούσε \(10^{86}\) bit μνήμης — πολύ πέρα από τις δυνατότητες οποιουδήποτε ψηφιακού υπολογιστή. Θεωρεί, ωστόσο, ότι κάτι τέτοιο εμπίπτει στις δυνατότητες ενός κβαντικού υπολογιστή. Γι’ αυτό η ανακάλυψη νέων φαρμάκων μέσω ανάλυσης της μοριακής τους συμπεριφοράς θα μπορούσε να αποτελέσει σημαντική εφαρμογή των κβαντικών υπολογιστών.

Θανατηφόροι ιοί

Παρομοίως, η σύγχρονη επιστήμη έχει κατορθώσει να αντιμετωπίσει ιούς με εμβόλια, αλλά μέχρι ενός σημείου. Τα εμβόλια δρουν έμμεσα, διεγείροντας το ανοσοποιητικό σύστημα του οργανισμού αντί να επιτίθενται απευθείας στον ιό. Έτσι, η πρόοδος στην αντιμετώπιση ασθενειών που προκαλούνται από ιούς ήταν αργή.

Μία από τις πιο θανατηφόρες ασθένειες στην ιστορία είναι η ευλογιά, που έχει σκοτώσει 300 εκατομμύρια ανθρώπους μόνο από το 1910 και μετά. Η ευλογιά ήταν γνωστή ήδη από την αρχαιότητα. Ήταν επίσης γνωστό ότι, αν κάποιος νοσούσε και ανάρρωνε, μπορούσαν να μετατρέψουν τις εφελκίδες από τις πληγές του σε σκόνη και να τη χορηγήσουν σε υγιές άτομο μέσω μικρών ανοιγμάτων στο δέρμα του. Με αυτόν τον τρόπο, το άτομο αποκτούσε προστασία απέναντι στην ασθένεια.

Το 1796, η τεχνική αυτή βελτιώθηκε και εφαρμόστηκε με επιτυχία στην Αγγλία. Ο γιατρός Έντουαρντ Τζένερ πήρε υλικό από πληγές γαλακτοκόμων που είχαν αναρρώσει από τη δαμαλίτιδα, μια ασθένεια που μοιάζει με την ευλογιά. Στη συνέχεια το χορήγησε σε υγιή άτομα, τα οποία απέκτησαν ανοσία απέναντι στην ευλογιά.

Έκτοτε, τα εμβόλια έχουν χρησιμοποιηθεί εναντίον πολλών ασθενειών που προηγουμένως δεν μπορούσαν να αντιμετωπιστούν, όπως η πολιομυελίτιδα, η ηπατίτιδα Β, η ιλαρά, η μηνιγγίτιδα, η παρωτίτιδα, ο τέτανος και ο κίτρινος πυρετός. Υπάρχουν χιλιάδες πιθανά εμβόλια με ενδεχόμενη θεραπευτική αξία. Χωρίς όμως να κατανοούμε τη λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος στις μικρότερες κλίμακες, είναι αδύνατο να τα δοκιμάσουμε όλα.

Αντί να δοκιμάζουμε κάθε εμβόλιο πειραματικά, ίσως μπορέσουμε να το «δοκιμάζουμε» μέσα σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Το πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου θα ήταν ότι η αναζήτηση νέων εμβολίων θα μπορούσε να γίνεται γρήγορα, οικονομικά και αποτελεσματικά, χωρίς περίπλοκες, χρονοβόρες και δαπανηρές δοκιμές.

Στο επόμενο κεφάλαιο θα εξετάσουμε πώς οι κβαντικοί υπολογιστές ενδέχεται να μας επιτρέψουν να τροποποιήσουμε και να ενισχύσουμε το ανοσοποιητικό μας σύστημα, προστατεύοντάς μας από τον καρκίνο και ίσως από ασθένειες που σήμερα δεν θεραπεύονται, όπως η νόσος Αλτσχάιμερ και η νόσος Πάρκινσον. Πρώτα, όμως, υπάρχει ακόμη ένας τρόπος με τον οποίο οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να αμυνθούμε απέναντι στον ιό της επόμενης παγκόσμιας πανδημίας.

Η πανδημία της Covid

Ένας τρόπος να αντιληφθούμε τις δυνατότητες των κβαντικών υπολογιστών είναι να σκεφτούμε την τραγωδία της πανδημίας της Covid, η οποία, την περίοδο που γράφτηκε το βιβλίο, είχε σκοτώσει περίπου ένα εκατομμύριο ανθρώπους στις ΗΠΑ και είχε βυθίσει δισεκατομμύρια ανθρώπους σε όλο τον κόσμο σε οικονομικές δυσκολίες και ανασφάλεια. Οι κβαντικοί υπολογιστές, ωστόσο, θα μπορούσαν να μας προσφέρουν ένα σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης για τον εντοπισμό νέων ιών προτού προκαλέσουν μια παγκόσμια πανδημία.

Πιστεύεται ότι το 60% όλων των ασθενειών προέρχεται αρχικά από το ζωικό βασίλειο. Υπάρχει, επομένως, μια τεράστια δεξαμενή νέων μικροβίων που μπορούν να προκαλέσουν πολλές καινούριες ασθένειες. Καθώς ο ανθρώπινος πολιτισμός επεκτείνεται σε περιοχές που προηγουμένως δεν είχαν αναπτυχθεί, ερχόμαστε σε επαφή με νέα ζώα και τις ασθένειές τους.

Για παράδειγμα, μέσω γενετικής ανάλυσης μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι ο ιός της γρίπης προήλθε κυρίως από πτηνά. Πολλοί ιοί της γρίπης εμφανίζονται στην Ασία, όπου ορισμένοι αγρότες ζουν πολύ κοντά σε χοίρους και πτηνά. Παρότι ο ιός προέρχεται από τα πτηνά, οι χοίροι συχνά τρώνε τα περιττώματά τους και οι άνθρωποι καταναλώνουν τους χοίρους. Έτσι, οι χοίροι λειτουργούν σαν «δοχείο ανάμειξης», όπου γενετικό υλικό από πτηνά και χοίρους συνδυάζεται και δημιουργούνται νέοι ιοί.

Αντίστοιχα, η προέλευση του ιού που προκαλεί το AIDS έχει συνδεθεί με τον ιό ανοσοανεπάρκειας των πιθήκων (SIV), ο οποίος προσβάλλει πρωτεύοντα. Με βάση γενετικά στοιχεία, επιστήμονες έχουν υποθέσει ότι κάποιος στην Αφρική έφαγε κρέας πρωτεύοντος κάποια στιγμή μεταξύ 1884 και 1924, γεγονός που οδήγησε στην εμφάνιση του HIV, μιας μεταλλαγμένης μορφής του SIV που μπορεί να προσβάλλει τον άνθρωπο.

Η πρόοδος των μεταφορών και η αύξηση των ταξιδιών σε όλο τον κόσμο επιτάχυναν την εξάπλωση ασθενειών, όπως η πανώλη κατά τον Μεσαίωνα. Ιστορικοί έχουν παρακολουθήσει τις διαδρομές αρχαίων ναυτικών από πόλη σε πόλη, καθώς μετέφεραν την πανώλη σε μακρινές ακτές. Συγκρίνοντας την ημερομηνία άφιξης των πλοίων σε ένα λιμάνι με τον χρόνο εκδήλωσης της νόσου, μπορούμε να δούμε πώς η πανώλη εξαπλώθηκε στη Μέση Ανατολή και την Ασία, μετακινούμενη από πόλη σε πόλη. Σήμερα, τα αεροπλάνα μπορούν να μεταφέρουν μια ασθένεια από τη μία ήπειρο στην άλλη μέσα σε λίγες ώρες.

Είναι λοιπόν θέμα χρόνου, υποστηρίζει ο συγγραφέας, να βρεθεί ξανά ο κόσμος αντιμέτωπος με μια πανδημία που θα εξαπλωθεί μέσω των διεθνών αεροπορικών ταξιδιών.

Χάρη όμως στις αξιοσημείωτες προόδους της γονιδιωματικής, το 2020 οι επιστήμονες κατάφεραν να προσδιορίσουν την αλληλουχία του γενετικού υλικού του ιού της Covid-19 μέσα σε λίγες εβδομάδες. Αυτό τους επέτρεψε να δημιουργήσουν εμβόλια που θα διέγειραν το ανοσοποιητικό σύστημα ώστε να επιτεθεί στον ιό. Επρόκειτο, ωστόσο, για ενίσχυση της ικανότητας του ίδιου του ανοσοποιητικού να αμυνθεί. Αυτό που έλειπε ήταν ένας συστηματικός τρόπος για να καταπολεμηθεί ο ίδιος ο θανατηφόρος ιός.

Σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να συμβάλουν στην αποτροπή της επόμενης πανδημίας. Κατ’ ελάχιστον, χρειαζόμαστε ένα σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης που να εντοπίζει έναν ιό μόλις εμφανιστεί, σε πραγματικό χρόνο. Από τη στιγμή που εμφανίζεται μια νέα παραλλαγή του ιού της Covid-19, μπορεί να περάσουν εβδομάδες μέχρι να εκδοθεί προειδοποίηση. Στο διάστημα αυτό, ο ιός μπορεί να εξαπλωθεί απαρατήρητος στον ανθρώπινο πληθυσμό. Μια καθυστέρηση λίγων εβδομάδων μπορεί να του επιτρέψει να μολύνει εκατομμύρια ανθρώπους.

Μία μέθοδος παρακολούθησης των επιδημιών είναι η τοποθέτηση αισθητήρων στα αποχετευτικά δίκτυα σε όλο τον κόσμο. Οι ιοί μπορούν να εντοπιστούν μέσω της ανάλυσης των λυμάτων, ιδιαίτερα σε πυκνοκατοικημένες αστικές περιοχές. Γρήγορες δοκιμές αντιγόνων μπορούν να ανιχνεύσουν την εμφάνιση ενός ιού μέσα σε περίπου δεκαπέντε λεπτά. Ωστόσο, τα δεδομένα από εκατομμύρια αποχετευτικά δίκτυα θα μπορούσαν εύκολα να υπερφορτώσουν τους ψηφιακούς υπολογιστές. Οι κβαντικοί υπολογιστές, κατά τον συγγραφέα, θα ήταν κατάλληλοι για την ανάλυση τεράστιων όγκων δεδομένων και τον εντοπισμό αυτού που μοιάζει με βελόνα στα άχυρα. Ήδη ορισμένες κοινότητες στις ΗΠΑ τοποθετούν αισθητήρες στα αποχετευτικά τους δίκτυα ως σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης.

Ένα άλλο παράδειγμα προήλθε από την εταιρεία Kinsa, η οποία κατασκευάζει θερμόμετρα συνδεδεμένα στο διαδίκτυο. Εξετάζοντας πού εμφανίζονται πυρετοί σε ολόκληρη τη χώρα, μπορούν να εντοπιστούν σημαντικές ανωμαλίες. Τον Μάρτιο του 2020, για παράδειγμα, νοσοκομεία στις νότιες ΗΠΑ κατακλύστηκαν από αναφορές για χιλιάδες ανθρώπους που νοσούσαν από έναν νέο ιό. Πολλοί πέθαναν και τα νοσοκομεία πιέστηκαν αφόρητα.

Σύμφωνα με μια θεωρία, οι εορτασμοί του Μαρντί Γκρα στη Νέα Ορλεάνη, στα τέλη Φεβρουαρίου 2020, αποτέλεσαν γεγονός υπερμετάδοσης που εξέθεσε εκατοντάδες χιλιάδες ανυποψίαστους ανθρώπους στον ιό. Πράγματι, αν αναλύσει κανείς τις ενδείξεις των θερμομέτρων αμέσως μετά τους εορτασμούς, βλέπει μια απότομη άνοδο της θερμοκρασίας των ασθενών στον Νότο. Δυστυχώς, επειδή οι γιατροί δεν είχαν εμπειρία στην αντιμετώπιση του νέου θανατηφόρου ιού, χρειάστηκαν εβδομάδες μετά το Μαρντί Γκρα για να ενημερωθούν για την πανδημία. Πολλοί άνθρωποι πέθαναν εξαιτίας αυτής της κρίσιμης καθυστέρησης στον εντοπισμό του ιού, η εμφάνιση του οποίου αιφνιδίασε πλήρως την ιατρική κοινότητα.

Στο μέλλον, ένα εκτεταμένο δίκτυο ιατρικών συσκευών, όπως θερμόμετρα και αισθητήρες συνδεδεμένοι στο διαδίκτυο, θα μπορούσε να παρέχει άμεση εικόνα των μεταβολών της θερμοκρασίας του σώματος σε ολόκληρη τη χώρα. Τα δεδομένα θα αναλύονταν από κβαντικούς υπολογιστές. Με μια ματιά στον χάρτη θα μπορούσε κανείς να διακρίνει εστίες που ίσως υποδηλώνουν ένα νέο γεγονός υπερμετάδοσης.

Ένας ακόμη τρόπος δημιουργίας συστήματος έγκαιρης προειδοποίησης είναι η αξιοποίηση των μέσων κοινωνικής δικτύωσης, που αποτυπώνουν καλύτερα από οτιδήποτε άλλο όσα συμβαίνουν σε πραγματικό χρόνο. Οι αλγόριθμοι του μέλλοντος, για παράδειγμα, θα μπορούσαν να αναζητούν ασυνήθιστες αναρτήσεις στο διαδίκτυο. Αν οι άνθρωποι αρχίσουν να γράφουν φράσεις όπως «δεν μπορώ να αναπνεύσω» ή «δεν έχω όσφρηση», οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να τις εντοπίζουν. Στη συνέχεια, οι υγειονομικές υπηρεσίες θα διερευνούσαν αν τα περιστατικά οφείλονται σε μεταδοτική ασθένεια.

Παρομοίως, οι κβαντικοί υπολογιστές ίσως μπορούν να ανιχνεύουν εξάρσεις του ιού την ώρα που εκδηλώνονται. Θα μπορούσαν να αναπτυχθούν αισθητήρες ικανοί να εντοπίζουν στον αέρα αιωρούμενα σωματίδια που περιέχουν τον ιό. Στην αρχή της πανδημίας, κυβερνητικοί αξιωματούχοι υποστήριζαν ότι απόσταση περίπου δύο μέτρων από τους άλλους αρκούσε για να αποτραπεί η εξάπλωση. Ισχυρίζονταν ότι η μετάδοση γινόταν κυρίως μέσω μεγάλων σταγονιδίων από τον βήχα και το φτέρνισμα.

Σήμερα πιστεύεται ότι αυτό πιθανότατα δεν ήταν σωστό. Μελέτες δείχνουν ότι τα αιωρούμενα σωματίδια μετά από ένα φτέρνισμα, για παράδειγμα, μπορούν να μεταφέρουν τον ιό σε απόσταση έξι μέτρων ή και περισσότερο. Μάλιστα, θεωρείται πλέον ότι ένας από τους βασικούς τρόπους μετάδοσης είναι τα αιωρούμενα σωματίδια που παράγονται ακόμη και με την ομιλία. Το να κάθεται κανείς δίπλα σε ανθρώπους που τραγουδούν, φωνάζουν συνθήματα ή μιλούν δυνατά σε εσωτερικό χώρο για περισσότερο από δεκαπέντε λεπτά μπορεί να επιταχύνει την εξάπλωση του ιού.

Στο μέλλον, λοιπόν, ένα δίκτυο αισθητήρων σε εσωτερικούς χώρους θα μπορούσε να ανιχνεύει τέτοια σωματίδια στον αέρα και να στέλνει τα δεδομένα σε κβαντικούς υπολογιστές. Εκείνοι θα ανέλυαν τον τεράστιο όγκο πληροφοριών αναζητώντας τα πρώιμα προειδοποιητικά σημάδια της επόμενης πανδημίας.

Αποκρυπτογραφώντας το ανοσοποιητικό σύστημα

Τα εμβόλια έχουν αποδείξει ότι το ανοσοποιητικό σύστημα του ίδιου του οργανισμού αποτελεί ισχυρή άμυνα απέναντι στις λοιμώδεις ασθένειες. Ωστόσο, οι επιστήμονες γνωρίζουν ακόμη σχετικά λίγα για τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί.

Εξακολουθούμε να μαθαίνουμε απροσδόκητα πράγματα γι’ αυτό. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες αντιλαμβάνονται πλέον ότι πολλές ασθένειες δεν βλάπτουν άμεσα τον οργανισμό. Η ισπανική γρίπη του 1918 σκότωσε περισσότερους ανθρώπους από όσους πέθαναν συνολικά στον Α΄ Παγκόσμιο Πόλεμο. Δυστυχώς, δεν διατηρήθηκαν δείγματα του ιού, γεγονός που δυσκολεύει την ανάλυση του τρόπου με τον οποίο προκαλούσε τον θάνατο. Πριν από μερικά χρόνια, όμως, οι επιστήμονες μπόρεσαν να εξετάσουν στην Αρκτική σώματα ανθρώπων που είχαν πεθάνει από τον ιό και είχαν διατηρηθεί μέσα στο μόνιμα παγωμένο έδαφος.

Αυτό που βρήκαν ήταν ενδιαφέρον. Η ασθένεια δεν σκότωνε άμεσα το θύμα της. Προκαλούσε υπερδιέγερση του ανοσοποιητικού συστήματος, το οποίο πλημμύριζε τον οργανισμό με επικίνδυνες ουσίες στην προσπάθειά του να εξοντώσει τον ιό. Αυτή η «καταιγίδα κυτταροκινών» ήταν τελικά εκείνη που σκότωνε τον ασθενή. Ο κύριος φονικός παράγοντας ήταν, στην πραγματικότητα, το ίδιο το ανοσοποιητικό σύστημα όταν έχανε τον έλεγχο.

Κάτι παρόμοιο παρατηρήθηκε και στην Covid-19. Όταν οι ασθενείς εισάγονται στο νοσοκομείο, η κατάστασή τους μπορεί αρχικά να μη φαίνεται εξαιρετικά σοβαρή. Στα όψιμα στάδια της νόσου, όμως, όταν εμφανίζεται η καταιγίδα κυτταροκινών, οι επικίνδυνες ουσίες που κατακλύζουν τον οργανισμό μπορούν να οδηγήσουν σε ανεπάρκεια οργάνων. Χωρίς αντιμετώπιση, συχνά επέρχεται ο θάνατος.

Στο μέλλον, οι κβαντικοί υπολογιστές ίσως προσφέρουν μια άνευ προηγουμένου εικόνα της μοριακής βιολογίας του ανοσοποιητικού συστήματος. Θα μπορούσαν έτσι να αναδειχθούν πολλοί τρόποι περιορισμού ή απενεργοποίησης της ανοσολογικής απόκρισης, ώστε αυτή να μη σκοτώνει τον ασθενή σε περίπτωση σοβαρής λοίμωξης. Θα συζητήσουμε αναλυτικότερα το ανοσοποιητικό σύστημα στο επόμενο κεφάλαιο.

Η παραλλαγή Όμικρον

Οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν επίσης να αποδειχθούν κρίσιμοι για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων ενός ιού την ώρα που μεταλλάσσεται. Για παράδειγμα, η παραλλαγή Όμικρον της Covid-19 εμφανίστηκε περίπου τον Νοέμβριο του 2021. Όταν προσδιορίστηκε η αλληλουχία του γονιδιώματός της, σήμανε αμέσως συναγερμός. Είχε πενήντα μεταλλάξεις, οι οποίες την έκαναν πιο μεταδοτική από την παραλλαγή Δέλτα. Οι επιστήμονες, όμως, δεν μπορούσαν να καθορίσουν με ακρίβεια πόσο επικίνδυνη την καθιστούσαν αυτές οι μεταλλάξεις. Θα επέτρεπαν άραγε στις πρωτεΐνες ακίδες να εισέρχονται στα ανθρώπινα κύτταρα πολύ ταχύτερα και να προκαλούν σοβαρές συνέπειες; Δεν μπορούσαν παρά να περιμένουν και να δουν. Στο μέλλον, αντί να περιμένουμε εβδομάδες με αγωνία, οι κβαντικοί υπολογιστές ίσως μπορούν να εκτιμούν πόσο θανατηφόρος είναι ένας ιός αναλύοντας τις μεταλλάξεις στις πρωτεΐνες ακίδες του.

Ίσως μπορέσουμε να προβλέπουμε την πορεία αυτού και άλλων ιών μόλις γνωρίζουμε τη δομή τους. Οι σημερινοί ψηφιακοί υπολογιστές δεν έχουν αρκετές δυνατότητες ώστε να προσομοιώσουν με ακρίβεια πώς ένας ιός όπως η Όμικρον επιτίθεται στον ανθρώπινο οργανισμό. Αν όμως γνωρίζουμε την ακριβή μοριακή δομή του, ίσως μπορέσουμε να χρησιμοποιήσουμε κβαντικούς υπολογιστές για να προσομοιώσουμε τις συγκεκριμένες επιδράσεις του στο σώμα. Έτσι, θα γνωρίζουμε εκ των προτέρων πόσο επικίνδυνος είναι και πώς να τον αντιμετωπίσουμε.

Ευτυχώς, έχουμε και την εξέλιξη με το μέρος μας. Πολλές παλαιές ασθένειες που σκότωσαν μεγάλο μέρος της ανθρωπότητας, όπως η ισπανική γρίπη του 1918, πιθανότατα εξακολουθούν να υπάρχουν σε μεταλλαγμένη μορφή, ως ενδημικές πλέον και όχι ως πανδημικές. Σύμφωνα με τη θεωρία της εξέλιξης, διαφορετικά στελέχη ενός ιού ανταγωνίζονται μεταξύ τους. Υπάρχει, επομένως, εξελικτική πίεση να γίνουν πιο μεταδοτικά και να ξεπεράσουν τους ανταγωνιστές τους. Κάθε νέα γενιά μεταλλάξεων μπορεί έτσι να είναι πιο μεταδοτική από την προηγούμενη. Αν όμως ένας ιός σκοτώνει υπερβολικά πολλούς ανθρώπους, δεν απομένουν αρκετοί ξενιστές για να συνεχίσει να εξαπλώνεται. Υπάρχει, λοιπόν, και εξελικτική πίεση να γίνει λιγότερο θανατηφόρος.

Με άλλα λόγια, για να παραμείνουν σε κυκλοφορία, πολλοί ιοί εξελίσσονται ώστε να γίνονται πιο μεταδοτικοί αλλά λιγότερο θανατηφόροι. Ίσως, λοιπόν, χρειαστεί απλώς να μάθουμε να ζούμε με τον ιό της Covid, αλλά σε λιγότερο θανατηφόρα μορφή.

Το μέλλον

Τα αντιβιοτικά και τα εμβόλια αποτελούν τα θεμέλια της σύγχρονης ιατρικής. Τα αντιβιοτικά, όμως, ανακαλύπτονται συνήθως με δοκιμές και λάθη, ενώ τα εμβόλια διεγείρουν το ανοσοποιητικό σύστημα ώστε να δημιουργήσει αντισώματα εναντίον ενός ιού. Ένας στόχος της σύγχρονης ιατρικής είναι, επομένως, η ανάπτυξη νέων αντιβιοτικών. Ένας άλλος είναι η κατανόηση της ανοσολογικής απόκρισης του οργανισμού — της πρώτης γραμμής άμυνας απέναντι στους ιούς, αλλά και ενός συστήματος που εμπλέκεται στον καρκίνο, μία από τις μεγαλύτερες αιτίες θανάτου στην ιστορία.

Αν οι κβαντικοί υπολογιστές βοηθήσουν να λυθεί το μυστήριο του ανοσοποιητικού μας συστήματος, θα μπορούσαμε επίσης να βρούμε τρόπους αντιμετώπισης ορισμένων ασθενειών που σήμερα παραμένουν ανίατες, όπως κάποιες μορφές καρκίνου, η νόσος Αλτσχάιμερ, η νόσος Πάρκινσον και η πλάγια μυατροφική σκλήρυνση (ALS). Οι ασθένειες αυτές προκαλούν βλάβες σε μοριακό επίπεδο — επίπεδο που, κατά τον συγγραφέα, οι κβαντικοί υπολογιστές θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να κατανοήσουμε και να αντιμετωπίσουμε. Στο επόμενο κεφάλαιο θα εξετάσουμε πώς ενδέχεται να μας προσφέρουν νέες γνώσεις για το ανοσοποιητικό σύστημα και, τελικά, να μας βοηθήσουν να το ενισχύσουμε.