По дыханию и капле крови. Новый метод определяет рак за минуты

• Молекулярный профиль человека
• Найти рак по капле крови
• Диагноз по дыханию
• Молекулярная психосоматика

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».

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.

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.

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».

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».

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».

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.