МОСКВА, 4 окт — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Ученые из Томского государственного университета (ТГУ) разработали безболезненную экспресс-диагностику состояния здоровья по капле крови или выдыхаемому воздуху. Всего за несколько минут можно выявить маркеры опасных заболеваний, включая зарождающийся рак.
Молекулярный профиль человека
Врачи говорят, что правильная и своевременная диагностика — залог успешного лечения. Особенно важно быстро и безошибочно поставить диагноз при таких критических состояниях, как инфаркт или инсульт, когда счет в буквальном смысле идет на минуты. А в случае с онкологией основная задача — не пропустить болезнь на ранней стадии.
Идея о том, что состав крови, мочи и слюны отражает состояние здоровья человека, существует с глубокой древности. Однако только технологический прогресс последних десятилетий сделал возможным количественное измерение содержащихся в биологических жидкостях продуктов обмена веществ — метаболитов. Появилось отдельное научное направление — метаболомика, в рамках которой ученые исследуют молекулярные признаки различных процессов в организме, в том числе патологических.
Опираясь на математическое моделирование, ученые из лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ рассчитали многокомпонентные молекулярные профили, характерные для тех или иных болезней. Затем произвели из известных соединений смеси маркерных молекул в определенной концентрации для каждого из профилей, обучили на их примере нейросеть и протестировали полученные результаты на реальных образцах биологических жидкостей и тканей, взятых у пациентов.
"Наш метод диагностики основан на компонентном анализе тканей, биологических жидкостей или выдыхаемого воздуха на молекулы-биомаркеры, — говорит участник проекта, сотрудник лаборатории Денис Вражнов. — Для этого мы используем современные приборы — рамановский микроскоп, терагерцевый спектрометр, газоанализаторы".
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов Младший научный сотрудник лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ Денис Вражнов
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов
Младший научный сотрудник лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ Денис Вражнов
Диагностика по молекулярным профилям намного точнее, чем по отдельным маркерным молекулам, а использование при интерпретации данных искусственного интеллекта сводит риск ошибок к минимуму. В будущем всю процедуру анализов можно будет выполнять полностью в автоматическом режиме, считают авторы нового метода.
Как он работает, журналистам показали во время экскурсии в лабораторию, организованной в рамках инициативы "Научно-популярный туризм" Десятилетия науки и технологий, предусматривающей посещение объектов нацпроекта "Наука и университеты".
Найти рак по капле крови
Напрямую отслеживать метаболические изменения в организме человека очень сложно. Некоторые — например, распад гормонов — происходят очень быстро, другие реализуются на внутриклеточном уровне и недоступны для непосредственных наблюдений. Поэтому большинство методов функциональной диагностики основано на косвенных данных.
Так, при ультразвуковых исследованиях (УЗИ) врач анализирует картину, созданную звуковыми волнами при прохождении через ткани и органы. Рентгенограмма — это проекция рентгеновских лучей, отражающая внутреннюю анатомическую структуру. По спектральным характеристикам света можно судить о молекулярном составе тканей или жидкостей.
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов Сотрудники лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ работают на рамановском микроскопе
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов
Сотрудники лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ работают на рамановском микроскопе
"Глядя на спектральный профиль, можно сказать, какие реакции происходят в организме, как он реагирует на внешние раздражители, на вирусы, бактерии", — поясняет ученый.
В ходе экспериментов, проведенных на одном из самых чувствительных приборов, конфокальном рамановском спектрометре, исследователи выяснили, что по форме профиля можно отследить, причем на самом раннем этапе, развитие онкологических заболеваний: рака кожи (меланомы) и глиомы — одной из самых агрессивных форм рака мозга. Полученные результаты подтвердили и на другом приборе — терагерцевом спектрометре.
CC BY 4.0 / Michael B. Fenn {et al.}, 2011 / Принципиальная схема работы рамановского спектрометра
CC BY 4.0 / Michael B. Fenn {et al.}, 2011 /
Глиому чаще всего обнаруживают на поздних стадиях, когда у пациента развиваются такие симптомы, как сильные головные боли и тошнота. Диагноз подтверждают с помощью МРТ головы. Теперь же болезнь можно выявить по капле крови. Предложенная методика прошла этап пилотного испытания на животных, и сейчас специалисты переходят к исследованиям на человеческих биоматериалах.
"Мы изучали, как изменяется молекулярный состав тканей мозга у мышей, которым подсаживали раковые клетки, в результате чего у них развивалась глиома, — рассказывает Вражнов. — Оказалось, что у здорового мозга один профиль, а у больного — совершенно другой. Более того, мы обнаружили, что он различный для опухоли и воспаления".
Это решает еще одну проблему диагностики. Известно, что развитию опухоли часто, но не всегда, предшествует воспаление. Анализ молекулярных профилей позволяет с высокой достоверностью выделить в образце сыворотки крови метаболиты предонкологического воспаления и заметить начало развития опухоли мозга значительно раньше, чем это делается сейчас.
Авторы уверены, что выявлять можно будет не только глиому, но и другие виды опухолей. Все данные об изменениях крови при различных онкологических заболеваниях сейчас вносят в электронную базу, к которой будет обращаться искусственный интеллект в процессе анализа.
Диагноз по дыханию
Исследователи из ТГУ научились получать молекулярный профиль не только по крови, но и по составу воздуха, выдыхаемого человеком. Для этого они усовершенствовали с помощью методов машинного обучения методику химического анализа еще на одном приборе — газоанализаторе.
"Изменения в обмене веществ отражаются на составе крови, которая омывает легкие, — объясняет ученый. — За счет газообмена маркерные молекулы, которые сопутствуют какому-то патологическому процессу, поступают в выдыхаемый воздух, и мы их улавливаем с помощью газоанализатора".
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов Доброволец сдает пробу воздуха на диагностику
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов
Доброволец сдает пробу воздуха на диагностику
При этом для диагностики важен не столько сам набор анализируемых соединений (как правило, он стандартный: оксиды азота, углекислый газ, монооксид углерода, аммиак и некоторые другие летучие углеводороды), сколько соотношение их концентраций. Например, повышенное содержание аммиака — хороший маркер диабета. С помощью молекулярных профилей можно распознать ковид, туберкулез, болезни сердца.
"Все эти заболевания меняют состав выдыхаемого воздуха, — отмечает исследователь. — Наш прибор работает в очень широком диапазоне и может "ловить" большое количество маркерных молекул".
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов На профиле здорового человека должно быть четыре пика, если меньше — это тревожный признак
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов
На профиле здорового человека должно быть четыре пика, если меньше — это тревожный признак
Метод уже проверили в клинических условиях на пациентах с туберкулезом. Хорошие результаты показали и испытания в группах добровольцев с первичным инфарктом миокарда.
Молекулярная психосоматика
Недавно ученые лаборатории попробовали с помощью газоанализатора диагностировать психические заболевания. Для этого собрали пробы выдыхаемого воздуха у пациентов с депрессией, шизофренией, биполярным расстройством, сравнили результаты с контрольной группой и выявили химические особенности, характерные для каждого из диагнозов.
"Когда мы проводили исследования, нас попросили проверить, сохранились ли маркеры депрессии в выдыхаемом воздухе у тех, кто уже прошел курс лечения, — рассказывает Вражнов. — Обычно у вылечившихся профиль нормализуется. Но у некоторых пациентов в группе, которую уже готовили к выписке, спектральные характеристики не поменялись. Это говорит о том, что лечение было недостаточным и болезнь может быстро вернуться".
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов Газоанализатор в лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ
？ РИА Новости / Владислав Стрекопытов
Газоанализатор в лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения ТГУ
Предложенный метод, считают его авторы, может стать первым объективным инструментом контроля эффективности лечения в психиатрии, где традиционно привыкли полагаться только на субъективное мнение наблюдающего врача.
Самый необычный эксперимент сотрудники лаборатории провели в одном из кинотеатров города. Предположив, что набор химических веществ, вырабатываемых организмом, зависит в том числе от общего психологического состояния человека, они собрали пробы воздуха в кинозале во время демонстрации остросюжетного фильма, проанализировали их и получили профиль "коллективного стресса", который по мере развития сюжета и нарастания напряженности становился все более выраженным.
Исследователи надеются, что экспресс-диагностика по молекулярным профилям получит широкое практическое применение. Помимо медицины, ее смогут использовать в криминалистике, системах досмотра и контроля, а также в других областях.