Ці діагности — справжні звірі!

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 58

Чи можуть тварини замінити надзвичайно складні діагностичні прилади і тести?

Багато тварин покладаються переважно на нюх — і на полюванні, і при спілкуванні. Вовки та їхні одомашнені нащадки в цьому сенсі не виняток, вони здатні вчувати речовину в концентрації один на трильйон (1:10¹², приблизно таку концентрацію матиме одна крапля речовини, розчинена у воді двох десятків басейнів олімпійського розміру). Собаки виступають у ролі шукачів, відшукуючи слідом злочинців і порушників кордону або зниклих людей, виявляючи вибухівку і наркотики.

Собака сприймає навколишній світ через призму запахів. Вона здатна визначати ледь помітні градієнти, тобто навіть найменші відмінності в концентрації, і таким чином відстежувати «історію» запаху — звідки він прийшов і в яку сторону пішов

Думка про те, що чотирилапих нюхачів можна пристосувати до медичної діагностики, була вперше висловлена лише в 1989 році. У квітневому номері журналу The Lancet з’явився короткий лист двох британських дерматологів з госпіталю Королівського коледжу Лондона. Хайвел Вільямс і Андрес Пемброук описали дуже цікавий випадок зі своєї практики. До них звернулася 44-річна жінка з проханням оглянути родимку на правому стегні. Освіта була всього 1,86 мм в діаметрі і спочатку ніяких підозр не викликало. Однак при детальному обстеженні була виявлена меланома, найнебезпечніше злоякісне новоутворення шкіри. Що цікаво, стадія розвитку пухлини була найбільш ранньою, in situ, тобто без поширення в будь-які навколишні тканини.

Після операції лікарі поцікавилися, як жінці вдалося запідозрити таку непросту патологію. Відповідь їх здивувала: діагностом виявилася собака, яка по кілька хвилин на день ретельно обнюхувала саме цю родимку, голосно зітхала, тикалася носом у стегно і скулила. Господиня спочатку ігнорувала дивну поведінку тварини, але в один прекрасний день вихованка спробувала вигризти проблемну ділянку шкіри, після чого довелося нанести візит до лікаря.

Вільямс і Пемброук висловили припущення, що безконтрольно розмножувані клітини меланоми починають у великій кількості синтезувати якийсь особливий білок. І саме його і починає відчувати собака. Навіщо це потрібно тварині? Відповідь проста: усунення вразливості. Поки господар живий-здоровий, він може безперебійно забезпечувати їжу і укриття, так що вихованець вкрай уважно відстежує найменші відхилення від звичного стану речей.

Пси медицини

Перша практична реалізація ідеї відбулася лише 15 років потому. Метою розпізнавання став рак сечового міхура. Дослідження проводилося на базі госпіталю британського містечка Амерсхема, пси надавалися розплідником поводирів, а за обробку інформації відповідав Оксфордський університет.

Результати, опубліковані у вересневому номері British Medical Journal, виявилися цікавими, але не вражаючими. Собакам надали навчальні зразки — сечу 36 пацієнтів 48-90 років з підтвердженим діагнозом, а потім «попросили» протестувати сечу добровольців 18-85 років. Попередньо навчені пси впоралися з 41% завдань, правильно визначивши рак у 22 з 54 запропонованих проб. Кращими стали кокер-спаніелі Тенгл і Бідді, вони виявилися правими в 56% випадків. Багатофакторний аналіз, проведений в Оксфорді, показав, що тварини унюхували в сечі щось, не залежне від інших хімічних речовин, що визначаються за допомогою стандартних методів лабораторної діагностики.

Після цього дослідження посипалися як з рогу достатку. Найбільш перспективним напрямком виявився рак легенів. У 2006 році в спільному експерименті американських і польських вчених трьом молодим (7-18 місяців) золотистим ретриверам і двом португальським водолазам пропонувалися пробірки з добре вбираючою тканиною, де містилося видихуване пацієнтами повітря. Після курсу навчання собаки показали просто неймовірні результати: 99% -ву чутливість і 99% -у специфічність, тобто майже абсолютно правильно відокремили хворих від здорових. Причому собаки однаково легко визначали і IV стадію раку, і I, найскладнішу для діагностики.

Пізніші дослідження таких чудових показників не демонстрували, проте вони залишалися досить високими (чутливість 71-83%, специфічність — 93-95%). Крім того, собакам не заважали різні фонові захворювання, наприклад, якщо рак поєднувався з хронічною обструктивною хворобою легенів, а також запахи тютюну та їжі.

Чутливість і специфічність

Чутливість — частка дійсно хворих людей в обстеженій популяції, які за результатами діагностичного тесту або методики виявляються як хворі. Це міра ймовірності того, що будь-який випадок хвороби (стану) буде правильно ідентифікований за допомогою тесту. У клініці тест з високою чутливістю корисний для виключення діагнозу, якщо результат негативний.

Специфічність — частка тих, у яких тест негативний, серед усіх людей, які не мають хвороби (стану). Це міра ймовірності правильної ідентифікації людей, які не мають хвороби, за допомогою тесту. У клініці тест з високою специфічністю корисний для включення діагнозу в число можливих у разі позитивного результату.

Ідеальний тест має 100% -ву чутливість і 100% -у специфічність, тобто не дає ні ложноположних, ні неправдивих результатів. Але в реальності це можливо далеко не завжди, оскільки, як правило, аналізовані фактори мають досить широкий розподіл і для позитивного і негативного результату перетинаються. Зсуваючи кордон, можна «підкрутити» тест в область більшої чутливості або більшої специфічності.

Унюхати мікроба

Госпітальна інфекція — справжній бич медицини. Штами, що ростуть у лікарнях, відрізняються рідкісною агресивністю і стійкістю до більшості антибіотиків. Мікробіологічна діагностика — справа досить довга, незважаючи на те що поява полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) її значно спростила. Потреба у швидких і надійних методах визначення збудників все ще зберігається. І тут собачі носи будуть корисні.

Голландські вчені 2012 року зуміли натаскати активного і хуліганістого бігля на прізвисько Кліфф на Clostridium difficile, бактерію, яка часто стає винуватцем важких і стійких до антибіотиків діарів у госпіталях і будинках для літніх людей. Запах кала при цій інфекції досить характерний, але бігль навчився визначати навіть невловимі для людського носа концентрації. Чутливість пес показав фантастичну — всі 50 запропонованих проб, що містять бактерію, він визначив правильно. Специфічність трохи підкачала: тричі з 50 разів лохматий нюхач зреагував на достовірно чисті проби як на заражені.

Продукти життєдіяльності клостридій Кліфф чув не тільки у виділеннях пацієнтів, але і в повітрі. Він правильно визначив 265 з 270 чистих приміщень і 25 з 30 заражених, причому для рішення Кліффу потрібно лише десять хвилин. Так оперативно не працює жодна з існуючих діагностичних методик.

Щурі проти чахотки

З 2013 року через спритні лапи Таріка, гігантського сумчастого щура, і восьми його сородичів, які живуть в лабораторії Університету Едуардо Мондлане (Мозамбік), проходять почесних зразків, що збираються в медичних установах мозамбікської столиці Мапуту. Вони вміють розпізнавати туберкульоз. Працює це так: щур обнюхує лоток з десятьма пробами мокротиння і починає дряпати підлогу над підозрілим на туберкульоз об’єктом. П’ять лотків сумчастий лаборант обробляє за вісім хвилин. Людині, озброєній мікроскопом, на виконання аналогічного обсягу роботи знадобився б цілий робочий день. До того ж, як показала практика, люди помиляються суттєво частіше.

За перші 16 місяців державної програми через незвичайних діагностів вже пройшло 12 500 пацієнтів, у 1700 з яких був виявлений туберкульоз. Зрозуміло, що щурам не довіряють беззастережно, їх результати перевіряють трьома різними способами, проте тварини вигідні за багатьма параметрами. У тому числі за витратами. Навчання кожної з них обходиться в $6700-8000, а живуть сумчасті щури до восьми років, в той час як автоматичний аналізатор з приблизно схожими можливостями коштує близько $17 000, не рахуючи витратних матеріалів.

Влада Мозамбіку сподівається, що ВООЗ схвалить цей метод діагностики, адже в країні туберкульоз забирає близько 60 000 життів щорічно. Так, сумчасті лаборанти недосконалі, наприклад, вони не можуть відрізняти звичайний варіант інфекції від лікарсько-стійкого, проте для небагатих країн спеціально навчені тварини можуть стати відчутною підмогою. До речі, аналогічна програма з 2008 року розробляється і в Танзанії, там результати теж більш ніж обнадійливі.

Голубиний зір

Наземні тварини покладаються в основному на нюх, а ось птахам необхідний гострий зір. Звичайний міський голуб у цьому сенсі — одна з найбільш досконалих систем: вражаючий периферичний зір, п’ять різних рецепторів сітківки, здатність розрізняти ультрафіолет.

Цими птахами цікавився ще Беррес Фредерік Скіннер, гарвардський біхевіорист, відомий в першу чергу своїми роботами з «оперантного навчання» (learning by doing). Під час Другої світової війни Скіннер займався створенням незвичайної системи наведення в інтересах ВМС США — проектом «Голуб». Три птахи, поміщені в головну частину керованого боєприпасу, повинні були візуально контролювати прямування до мети: коригували при необхідності траєкторію польоту, вдаряючи дзьобом по спеціальному екрану. Рулі снаряда відхилялися тільки за більшості «голосів» (два з трьох). Скіннер вважав, що точність виведення на ціль з такою системою може досягати 6 м, що для тих часів було недосяжною цифрою. Військові вважають ідею ексцентричною, але виділили на дослідження $250 000. У підсумку програму згорнули в жовтні 1944 року, потім відновили в 1948-му, остаточно відмовившись від проекту лише в 1953-му, коли була переконливо доведена надійність електронних систем наведення.

Не дивно, що напрацюваннями Скіннера вирішили скористатися і в медичних цілях. У листопаді 2015 року в журналі PLOS ONE була опублікована цікава стаття патолога Річарда Левенсона з Університету Каліфорнії, психолога Едварда Вассермана з Університету Айови і приєднаних до них дослідників. Вони вирішили долучити голубів до діагностики — поки тільки однієї патології, раку молочної залози.

А око — як у орла!

Через відмінності в шляхах еволюції птахів і ссавців конструкція ока і зір голубів сильно відрізняються від людських. Людський зір використовує палички для умов низької освітленості та три види колбочок для кольорового зору. У голубів (та інших птахів) крім паличок є чотири види колбочок, чутливих до різних довжин хвиль, а також подвійні колбочки і ліпідні краплі, що містять різні пігменти. Краплі працюють як колірні фільтри, а також розширюють доступний птахам діапазон в УФ-область за рахунок флуоресценції пігментів, що містяться в них. Крім того, фоторецептори у птахів розташовані на сітківці у вигляді особливої регулярної мозаїки (так званої мозаїчної діаграми Вороного), що призводить до отримання набагато більш деталізованого і складного зорового образу.

Дивлячись на жіночі груди

Птаха поміщали в модифікований «ящик Скіннера», де для отримання їжі потрібно було виконати певну дію. В даному випадку — клюнути сенсорний екран, на якому демонструвалися фотографії гістологічних препаратів. У тому випадку, якщо сизар правильно «ставив діагноз», тобто клював ліву або праву сторону екрану, годівниця відкривалася, якщо неправильно — «лаборант» залишався голодним. Замотивовані таким чином птахи навчилися відрізняти норму від патології за кілька годин. Через місяць тренувань вони вже у 80% випадків давали правильну відповідь. А якщо 16 піддослідних голубів використовували в якості нейромережі, тобто об’єднували всі «діагнози» і використовували найчастішу відповідь, то цифра доходила до 99%.

Багатство зорових можливостей птахів можна використовувати для розпізнавання складних образів, таких як зображення препаратів або мамограми

Птахи впевнено знаходили зміни в тканинах, навіть якщо зображення препаратів були монохромними, вирівняними за яскравістю, контрастністю і насиченістю, з різними ступенями компресії. Голуби навчилися розбиратися і в мамограмах, чорно-білих рентгенівських знімках, в яких вони найкраще знаходили ділянки звіщення (так звані кальцифікати).

Люди, оцінюючи гістологічні препарати і мамограми, роблять більше помилок і витрачають на ту ж роботу набагато більше часу. Комп’ютерні системи аналізу зображень майже безпомилкові, але коштують десятки і сотні тисяч доларів. Зрозуміло, що замінити досвідченого гістолога або потужні програми голуби навряд чи зможуть, а от доповнити — цілком. Тим більше що плани у Левенсона і Вассермана великі, вони хочуть навчити сизарів відрізняти доброякісні пухлини молочної залози від злоякісних, а потім перейти і до інших різновидів онкопатології.

Не знаємо як, але працює!

Діагностика за допомогою тварин злегка вибивається за рамки звичного підходу до розробки та оцінки медичних методик. Вчені в даному випадку не розуміють, як це працює. Так, собаки не можуть пояснити, які маркерні речовини вони винюхують в тому чи іншому випадку, а голуби не розкажуть, як саме вони відрізняють норму від патології. Проте є можливість перевірити результати тварин і птахів за допомогою вже існуючих методів, можна визначити їх специфічність і чутливість, тобто перевести з розряду кумедних лабораторних експериментів у практичне русло медичної науки.

Хто знає, може, через кілька років в поліклініках і стаціонарах з’являться діагностичні кабінети, а то й цілі відділення, де будуть трудитися лохматі, пернаті та інші нелюдські прекрасні лаборанти.

Автор статті — лікар-токсиколог