Могут ли животные заменить диагностические приборы?⁠⁠

Алексей Водовозов 28 марта

Многие животные полагаются в основном на нюх — и на охоте, и при общении. Волки и их одомашненные потомки в этом смысле не исключение, они способны учуять вещество в концентрации один на триллион (1:1012, примерно такую концентрацию будет иметь одна капля вещества, растворенная в воде двух десятков бассейнов олимпийского размера). Собаки выступают в роли ищеек, отыскивая по следу преступников и нарушителей границы или пропавших людей, обнаруживая взрывчатку и наркотики.

Мысль о том, что четвероногих нюхачей можно приспособить к медицинской диагностике, была впервые высказана лишь в 1989 году. В апрельском номере журнала The Lancet появилось короткое письмо двух британских дерматологов из госпиталя Королевского колледжа Лондона. Хайвел Уильямс и Андрес Пемброук описали очень интересный случай из своей практики. К ним обратилась 44-летняя женщина с просьбой осмотреть родинку на правом бедре. Образование было всего 1,86 мм в диаметре и изначально никаких подозрений не вызывало. Однако при детальном обследовании была выявлена меланома, самое опасное злокачественное новообразование кожи. Что интересно, стадия развития опухоли была самой ранней, in situ, то есть без распространения в какие-либо окружающие ткани.

После операции доктора поинтересовались, как женщине удалось заподозрить такую непростую патологию. Ответ их удивил: диагностом оказалась собака, которая по нескольку минут в день тщательно обнюхивала именно эту родинку, громко вздыхала, тыкалась носом в бедро и скулила. Хозяйка поначалу игнорировала странное поведение животного, но в один прекрасный день питомица попыталась выгрызть проблемный участок кожи, после чего пришлось нанести визит к врачу.

Уильямс и Пемброук высказали предположение, что бесконтрольно размножающиеся клетки меланомы начинают в большом количестве синтезировать какой-то особый белок. И именно его и начинает чувствовать собака. Зачем это нужно животному? Ответ прост: устранение уязвимости. Пока хозяин жив-здоров, он может бесперебойно обеспечивать еду и укрытие, так что питомец крайне внимательно отслеживает малейшие отклонения от привычного положения вещей.

А глаз — как у орла!

Из-за различий в путях эволюции птиц и млекопитающих конструкция глаза и зрение голубей сильно отличаются от человеческих. Человеческое зрение использует палочки для условий низкой освещенности и три вида колбочек для цветового зрения. У голубей (и других птиц) помимо палочек есть четыре вида колбочек, чувствительных к различным длинам волн, а также двойные колбочки и липидные капли, содержащие различные пигменты. Капли работают как цветовые фильтры, а также расширяют доступный птицам диапазон в УФ-область за счет флуоресценции содержащихся в них пигментов. Кроме того, фоторецепторы у птиц расположены на сетчатке в виде особой регулярной мозаики (так называемой мозаичной диаграммы Вороного), что приводит к получению гораздо более детализированного и сложного зрительного образа.

Псы медицины

Первая практическая реализация идеи состоялась лишь 15 лет спустя. Целью распознавания стал рак мочевого пузыря. Исследование проводилось на базе госпиталя британского городка Амерсхема, псы предоставлялись питомником поводырей, а за обработку информации отвечал Оксфордский университет.

Результаты, опубликованные в сентябрьском номере British Medical Journal, оказались интересными, но не впечатляющими. Собакам предоставили обучающие образцы — мочу 36 пациентов 48−90 лет с подтвержденным диагнозом, а затем «попросили» протестировать мочу добровольцев 18−85 лет. Предварительно обученные псы справились с 41% заданий, правильно определив рак в 22 из 54 предложенных проб. Лучшими стали кокер-спаниели Тэнгл и Бидди, они оказались правыми в 56% случаев. Многофакторный анализ, проведенный в Оксфорде, показал, что животные унюхивали в моче нечто не зависящее от других химических веществ, определяемых при помощи стандартных методов лабораторной диагностики.

После этого исследования посыпались как из рога изобилия. Наиболее перспективным направлением оказался рак легких. В 2006 году в совместном эксперименте американских и польских ученых трем молодым (7−18 месяцев) золотистым ретриверам и двум португальским водолазам предлагались пробирки с хорошо впитывающей тканью, где содержался выдыхаемый пациентами воздух. После курса обучения собаки показали просто невероятные результаты: 99%-ную чувствительность и 99%-ную специфичность, то есть почти абсолютно правильно отделили больных от здоровых. Причем собаки одинаково легко определяли и IV стадию рака, и I, самую сложную для диагностики.

Более поздние исследования таких великолепных показателей не демонстрировали, тем не менее они оставались достаточно высокими (чувствительность 71−83%, специфичность — 93−95%). Кроме того, собакам не мешали различные фоновые заболевания, например, если рак сочетался с хронической обструктивной болезнью легких, а также запахи табака и пищи.

Унюхать микроба

Госпитальная инфекция — настоящий бич медицины. Штаммы, вырастающие в больницах, отличаются редкой агрессивностью и стойкостью к большинству антибиотиков. Микробиологическая диагностика — дело достаточно долгое, несмотря на то что появление полимеразной цепной реакции (ПЦР) ее значительно упростило. Потребность в быстрых и надежных методах определения возбудителей все еще сохраняется. И тут собачьи носы будут полезны.

Голландские ученые в 2012 году сумели натаскать активного и хулиганистого бигля по кличке Клифф на Clostridium difficile, бактерию, которая часто становится виновником тяжелых и устойчивых к антибиотикам диарей в госпиталях и домах престарелых. Запах кала при этой инфекции весьма характерен, но бигль научился определять даже неуловимые для людского носа концентрации. Чувствительность пес показал фантастическую — все 50 предложенных проб, содержащих бактерию, он определил правильно. Специфичность чуть подкачала: трижды из 50 раз лохматый нюхач среагировал на достоверно чистые пробы как на зараженные.

Продукты жизнедеятельности клостридий Клифф чуял не только в выделениях пациентов, но и в воздухе. Он правильно определил 265 из 270 чистых помещений и 25 из 30 зараженных, причем для решения Клиффу требовалось лишь десять минут. Так оперативно не работает ни одна из существующих диагностических методик.

Чувствительность и специфичность

Чувствительность — доля действительно болеющих людей в обследованной популяции, которые по результатам диагностического теста или методики выявляются как больные. Это мера вероятности того, что любой случай болезни (состояния) будет правильно идентифицирован с помощью теста. В клинике тест с высокой чувствительностью полезен для исключения диагноза, если результат отрицателен.

Специфичность — доля тех, у которых тест отрицателен, среди всех людей, не имеющих болезни (состояния). Это мера вероятности правильной идентификации людей, не имеющих болезни, с помощью теста. В клинике тест с высокой специфичностью полезен для включения диагноза в число возможных в случае положительного результата.

Идеальный тест имеет 100%-ную чувствительность и 100%-ную специфичность, то есть не дает ни ложноположительных, ни ложноотрицательных результатов. Но в реальности это возможно далеко не всегда, поскольку, как правило, анализируемые факторы имеют довольно широкое распределение и для положительного и отрицательного результата пересекаются. Сдвигая границу, можно «подкрутить» тест в область большей чувствительности или большей специфичности.

Крысы против чахотки

С 2013 года через шустрые лапы Тарика, гигантской сумчатой крысы, и восьми его сородичей, живущих в лаборатории Университета Эдуардо Мондлане (Мозамбик), проходят ¾ образцов, собираемых в медицинских учреждениях мозамбикской столицы Мапуту. Они умеют распознавать туберкулез. Работает это так: крыса обнюхивает лоток с десятью пробами мокроты и начинает царапать пол над подозрительным на туберкулез объектом. Пять лотков сумчатый лаборант обрабатывает за восемь минут. Человеку, вооруженному микроскопом, на выполнение аналогичного объема работы потребовался бы целый рабочий день. К тому же, как показала практика, люди ошибаются существенно чаще.

За первые 16 месяцев государственной программы через необычных диагностов уже прошло 12?500 пациентов, у 1700 из которых был обнаружен туберкулез. Понятно, что крысам не доверяют безоговорочно, их результаты перепроверяют тремя различными способами, тем не менее животные выгодны по многих параметрам. В том числе по затратам. Обучение каждой из них обходится в $6700−8000, а живут сумчатые крысы до восьми лет, в то время как автоматический анализатор с примерно сходными возможностями стоит около $17?000, не считая расходных материалов.

Власти Мозамбика надеются, что ВОЗ одобрит этот метод диагностики, ведь в стране туберкулез уносит около 60?000 жизней ежегодно. Да, сумчатые лаборанты несовершенны, например, они не могут отличать обычный вариант инфекции от лекарственно-устойчивого, тем не менее для небогатых стран специально обученные животные могут стать ощутимым подспорьем. Кстати, аналогичная программа с 2008 года разрабатывается и в Танзании, там результаты тоже более чем обнадеживающие.

Расширенные возможности

Богатство зрительных возможностей птиц можно использовать для распознавания сложных образов, таких как изображения препаратов или маммограммы.

Голубиное зрение

Наземные животные полагаются в основном на нюх, а вот птицам необходимо острое зрение. Обычный городской голубь в этом смысле — одна из самых совершенных систем: впечатляющее периферическое зрение, пять разных рецепторов сетчатки, способность различать ультрафиолет.

Этими птицами интересовался еще Беррес Фредерик Скиннер, гарвардский бихевиорист, известный в первую очередь своими работами по «оперантному научению» (learning by doing). Во время Второй мировой войны Скиннер занимался созданием необычной системы наведения в интересах ВМС США — проектом «Голубь». Три птицы, помещенные в головную часть управляемого боеприпаса, должны были визуально контролировать следование к цели: корректировали при необходимости траекторию полета, ударяя клювом по специальному экрану. Рули снаряда отклонялись только при большинстве «голосов» (два из трех). Скиннер полагал, что точность выведения на цель с такой системой может достигать ±6 м, что для тех времен было недостижимой цифрой. Военные посчитали идею эксцентричной, но выделили на исследования $250?000. В итоге программу свернули в октябре 1944 года, затем возобновили в 1948-м, окончательно отказавшись от проекта лишь в 1953-м, когда была убедительно доказана надежность электронных систем наведения.

Неудивительно, что наработками Скиннера решили воспользоваться и в медицинских целях. В ноябре 2015 года в журнале PLOS ONE была опубликована любопытная статья патолога Ричарда Левенсона из Университета Калифорнии, психолога Эдварда Вассермана из Университета Айовы и примкнувших к ним исследователей. Они решили приобщить голубей к диагностике — пока только одной патологии, рака молочной железы.

Не знаем как, но работает!

Собака воспринимает

окружающий мир через призму запахов. Она способна определять едва заметные градиенты, то есть даже малейшие различия в концентрации, и таким образом отслеживать «историю» запаха — откуда он пришел и в какую сторону ушел.

Диагностика при помощи животных слегка выбивается за рамки привычного подхода к разработке и оценке медицинских методик. Ученые в данном случае не понимают, как это работает. Так, собаки не могут объяснить, какие маркерные вещества они вынюхивают в том или ином случае, а голуби не расскажут, как именно они отличают норму от патологии. Тем не менее есть возможность проверить результаты животных и птиц при помощи уже существующих методов, можно определить их специфичность и чувствительность, то есть перевести из разряда забавных лабораторных экспериментов в практическое русло медицинской науки.

Глядя на женскую грудь

Птицу помещали в модифицированный «ящик Скиннера», где для получения еды нужно было выполнить определенное действие. В данном случае — клюнуть сенсорный экран, на котором демонстрировались фотографии гистологических препаратов. В том случае, если сизарь правильно «ставил диагноз», то есть клевал левую или правую сторону экрана, кормушка открывалась, если неправильно — «лаборант» оставался голодным. Замотивированные таким образом птицы научились отличать норму от патологии за несколько часов. Через месяц тренировок они уже в 80% случаев давали правильный ответ. А если 16 подопытных голубей использовали в качестве нейросети, то есть объединяли все «диагнозы» и использовали самый частый ответ, то цифра доходила до 99%.

Птицы уверенно находили изменения в тканях, даже если изображения препаратов были монохромными, выравненными по яркости, контрастности и насыщенности, с разными степенями компрессии. Голуби научились разбираться и в маммограммах, черно-белых рентгеновских снимках, в которых они лучше всего находили участки обызвествления (так называемые кальцификаты).

Люди, оценивая гистологические препараты и маммограммы, делают больше ошибок и тратят на ту же работу гораздо больше времени. Компьютерные системы анализа изображений почти безошибочны, но стоят десятки и сотни тысяч долларов. Понятно, что заменить опытного гистолога или мощные программы голуби вряд ли смогут, а вот дополнить — вполне. Тем более что планы у Левенсона и Вассермана большие, они хотят научить сизарей отличать доброкачественные опухоли молочной железы от злокачественных, а затем перейти и к другим разновидностям онкопатологии.

Кто знает, может, через несколько лет в поликлиниках и стационарах появятся диагностические кабинеты, а то и целые отделения, где будут трудиться лохматые, пернатые и прочие нечеловечески прекрасные лаборанты.

Автор статьи — врач-токсиколог.

Статья «Эти диагносты – настоящие звери!» опубликована в журнале «Популярная механика» (№161, март 2016).