Mod en sygdomssniffende enhed, der konkurrerer med en hunds næse

Adskillige undersøgelser har vist, at trænede hunde kan opdage mange slags sygdomme – inklusive lunge, bryst, æggestokke, blære, og prostatacancer, og muligvis COVID-19 – simpelthen gennem lugt. I nogle tilfælde, involverer f.eks. prostatakræft, hundene havde en succesrate på 99 procent i at opdage sygdommen ved at sniffe patienters urinprøver.

Men det tager tid at træne sådanne hunde, og deres tilgængelighed og tid er begrænset. Forskere har været på jagt efter måder at automatisere de fantastiske olfaktoriske evner i hundens næse og hjerne, i en kompakt enhed. Nu, et team af forskere ved MIT og andre institutioner har fundet frem til et system, der kan detektere det kemiske og mikrobielle indhold i en luftprøve med endnu større følsomhed end en hunds næse. De koblede dette til en maskinlæringsproces, der kan identificere de karakteristiske egenskaber ved de sygdomsbærende prøver.

Fundene, som forskerne siger en dag kan føre til et automatiseret lugt-detektionssystem, der er lille nok til at blive indbygget i en mobiltelefon, offentliggøres i dag i tidsskriftet PLoS ONE , i et papir af Clare Guest fra Medical Detection Dogs i U.K., Forsker Andreas Mershin fra MIT, og 18 andre på Johns Hopkins University, Prostatakræftfonden, og flere andre universiteter og organisationer.

"Hunde, i nu 15 år eller deromkring, har vist sig at være de tidligste, mest nøjagtige sygdomsdetektorer for alt, hvad vi nogensinde har prøvet, " siger Mershin. Og deres præstationer i kontrollerede test har i nogle tilfælde oversteget de bedste nuværende laboratorietests, han siger. "Indtil nu, mange forskellige typer kræft er blevet opdaget tidligere af hunde end nogen anden teknologi."

Hvad mere er, hundene opfanger tilsyneladende forbindelser, der hidtil har undgået menneskelige forskere:Når de blev trænet til at reagere på prøver fra patienter med én type kræft, nogle hunde har derefter identificeret flere andre typer kræft - selvom lighederne mellem prøverne ikke var tydelige for mennesker.

Disse hunde kan identificere "kræft, der ikke har nogen identiske biomolekylære signaturer til fælles, intet i lugtstofferne, " siger Mershin. Ved at bruge kraftfulde analytiske værktøjer, herunder gaskromatografi massespektrometri (GCMS) og mikrobiel profilering, "hvis du analyserer prøverne fra, Lad os sige, hudkræft og blærekræft og brystkræft og lungekræft - alle ting, som hunden har vist sig at være i stand til at opdage - de har intet tilfælles." Alligevel kan hunden på en eller anden måde generalisere ud fra én form for kræft for at være i stand til at identificere andre.

Mershin og teamet i løbet af de sidste par år har udviklet, og fortsatte med at forbedre, et miniaturiseret detektorsystem, der inkorporerer pattedyrs olfaktoriske receptorer stabiliseret til at fungere som sensorer, hvis datastrømme kan håndteres i realtid af en typisk smartphones muligheder. Han forestiller sig en dag, hvor hver telefon vil have en duftdetektor indbygget, ligesom kameraer nu er allestedsnærværende i telefoner. Sådanne detektorer, udstyret med avancerede algoritmer udviklet gennem maskinlæring, kunne potentielt opfange tidlige tegn på sygdom langt hurtigere end typiske screeningsregimer, siger han - og kunne endda advare om røg eller gaslækage.

I de seneste tests, holdet testede 50 prøver af urin fra bekræftede tilfælde af prostatacancer og kontroller, der vides at være fri for sygdommen, bruger både hunde trænet og håndteret af Medical Detection Dogs i Storbritannien og det miniaturiserede detektionssystem. De anvendte derefter et maskinlæringsprogram for at aflæse eventuelle ligheder og forskelle mellem prøverne, der kunne hjælpe det sensorbaserede system med at identificere sygdommen. Ved at teste de samme prøver, det kunstige system var i stand til at matche hundenes succesrater, med begge metoder, der scorede mere end 70 procent.

Det miniaturiserede detektionssystem, Mershin siger, er faktisk 200 gange mere følsom end en hunds næse i forhold til at kunne detektere og identificere bittesmå spor af forskellige molekyler, som bekræftet gennem kontrollerede tests påbud af DARPA. Men med hensyn til at fortolke disse molekyler, "det er 100 procent dummere." Det er her maskinlæring kommer ind, at forsøge at finde de undvigende mønstre, som hunde kan udlede af duften, men mennesker har ikke været i stand til at forstå fra en kemisk analyse.

"Hundene kender ingen kemi, " siger Mershin. "De ser ikke en liste over molekyler vises i deres hoved. Når du lugter en kop kaffe, du kan ikke se en liste over navne og koncentrationer, du føler en integreret fornemmelse. Den fornemmelse af duftkarakter er, hvad hundene kan mine."

Mens det fysiske apparat til at detektere og analysere molekylerne i luft har været under udvikling i flere år, med meget af fokus på at reducere dens størrelse, indtil nu manglede analysen. "Vi vidste, at sensorerne allerede er bedre end hvad hundene kan gøre med hensyn til grænsen for detektion, men hvad vi ikke har vist før er, at vi kan træne en kunstig intelligens til at efterligne hundene, " siger han. "Og nu har vi vist, at vi kan det her. Vi har vist, at det, hunden gør, kan kopieres til en vis grad."

Denne præstation, siger forskerne, giver en solid ramme for yderligere forskning for at udvikle teknologien til et niveau, der er egnet til klinisk brug. Mershin håber at kunne teste et langt større sæt prøver, måske 5, 000, at udpege de væsentlige indikatorer for sygdom mere detaljeret. Men sådan test er ikke billigt:​​Det koster omkring $1, 000 pr. prøve for klinisk testede og certificerede prøver af sygdomsbærende og sygdomsfri urin, der skal indsamles, dokumenteret, afsendt, og analyseret siger han.

Reflektere over, hvordan han blev involveret i denne forskning, Mershin mindede om en undersøgelse af blærekræftdetektion, hvor en hund blev ved med at fejlidentificere et medlem af kontrolgruppen som værende positiv for sygdommen, selvom han var blevet specifikt udvalgt ud fra hospitalstests som værende sygdomsfri. Patienten, der kendte til hundens test, valgt at have yderligere tests, og et par måneder senere blev fundet at have sygdommen på et meget tidligt stadium. "Selvom det kun er et tilfælde, Jeg må indrømme, at det påvirkede mig, " siger Mershin.