Крысы-сенсоры и микроэлектродные матрицы
От пациента требуется совсем немного — подышать в трубку. Воздух из трубки попадает в бокс, в котором находится крыса. Она — сенсор, улавливающий содержание в воздухе летучих патогенных веществ, даже если их концентрация очень мала. В данном случае крыса должна почувствовать присутствие в воздухе "маркеров" онкологического заболевания.
"Известно, что перерождение клеток, которое происходит в случае онкопатологии уже на ранних стадиях, меняет метаболизм в соответствующих тканевых структурах. Меняется, следовательно, и спектр так называемых летучих органических соединений, которые сопровождают это изменение метаболизма. Это делает возможной диагностику заболевания по специфическим летучим соединениям на очень ранних стадиях", — рассказывает руководитель центра нейротехнологий ЮФУ, доктор биологических наук, профессор Валерий Кирой.
В основе технологии, разработанной учеными ЮФУ, лежит способность некоторых животных, в том числе крыс, с высокой точностью распознавать наличие этих летучих веществ в окружающем воздухе.
"Животные в процессе эволюции приобрели ряд преимуществ, которых сейчас не имеют даже очень совершенные методы, используемые, скажем, в аналитической химии, или технические устройства, которые используются для решения различных прикладных задач. Особенности животных — это сверхвысокая чувствительность, быстрое реагирование на события в окружающем мире, большое количество каналов, по которым они взаимодействуют с внешним миром, — это зрение, слух, тактильная чувствительность и т. д.
Животные-макросматики (с высокой обонятельной чувствительностью — прим. ТАСС) способны распознавать тысячи веществ в низких и сверхнизких концентрациях и делают это в реальном времени. Именно поэтому, например, специально обученных собак до сих пор используют для поиска взрывчатых и наркотических веществ — притом, что есть масса технических устройств, призванных решать ту же задачу", — объясняет Кирой.
Чтобы превратить обычную крысу в живой сенсор, ученые усилили возможности живого организма за счет микроэлектродов и микроэлектродных матриц (чипов), которые имплантируются в структуры мозга животного.
"Эти системы должны интерпретировать активность нервных, в частности, рецепторных структур, которые работают при взаимодействии животного с внешним миром, и выдавать соответствующие заключения", — говорит ученый.
То есть, когда крыса чувствует в воздухе непривычный запах, ее мозг на него реагирует. Эти реакции "считываются" электродной матрицей и анализируются нейросетевыми классификаторами, которые и выдают заключение, есть в воздухе "маркерные" вещества или их нет.
Единственные в мире
Еще в 1970-х физиолог, доктор биологических наук, профессор Александр Коган, один из основателей и первый директор НИИ нейрокибернетики в составе Северо-Кавказского научного центра высшей школы (сейчас — Центр нейротехнологий ЮФУ — прим. ТАСС) исследовал корреляцию электрической активности мозга с поведением животных и разработал методику микроэлектродной регистрации активности нейронов мозга. Позже на ее основе был создан тот самый чип, превративший обычную крысу в сверхчувствительный "сканер".
"Мы — просто наследники этой технологии. Мы умеем это делать — сами микроэлектроды, электродные матрицы, умеем имплантировать их в мозг животного так, чтобы животное могло всю жизнь с этой матрицей жить", — рассказывает профессор Кирой.
По его словам, разработанная в ЮФУ технология пока остается уникальной. "За рубежом исследования проводятся только на основе поведенческих реакций животных. Мы не анализируем поведение — наша внешняя искусственная нейройнная сеть "смотрит" на активность мозга животного", — поясняет он.
Крыс, которые участвуют в экспериментах по созданию биогибридной технологии скрининга онкозаболеваний, приобретают в питомнике в Новосибирске. "Покупаем партиями по 30−50 животных примерно раз в полгода, потому что продолжительность жизни крысы — не более 2−2,5 лет. К настоящему времени в наших экспериментах участвовало уже более 300 животных", — уточняет ученый.
"Обучить" нейросеть и распознать болезнь
Имплантировать крысе микроэлектродную матрицу, разработать электронное устройство по усилению биоэлектрической активности и программу, анализирующую мозговые импульсы животного, — это только полдела. Дальнейшую работу делает нейросетевой классификатор — сложное программное обеспечение, построенное по конструкции нейронных сетей.
"Анализ проводится по тысячам различных математических параметров, которые формируют так называемое облако признаков — многомерное пространство со множеством осей. На этом этапе включается механизм классификации — это пространство делится на некоторые группы, которые соотносятся с объективными факторами, в нашем случае — с наличием или отсутствием признаков патологии. Мы получаем математическое описание болезни. Каждый очередной обследуемый, запах которого чувствует крыса, описывается множеством биоэлектрических откликов ее обонятельной системы и соотносится с "обучающей базой", и мы получаем автоматическую оценку — вероятность наличия социально значимого заболевания", — рассказывает доктор биологических наук, замруководителя лаборатории "Нейротехнологии восприятия и распознавания" ЮФУ Виктор Войнов.
Однако, чтобы нейросетевой классификатор четко распознал, есть патология или нет, его сначала нужно "обучить". "Для этого нужно большое количество пациентов с уже имеющимся диагнозом, обследовать, занести в базу данных. И нужно обследовать здоровых людей, у которых заболевания нет, — и тоже внести в базу. По мере накопления этой базы данных система работает все лучше и лучше. На сегодняшний день только онкопациентов в совокупности обследовано уже более 3800 человек, показатель приближается к 4000", — объясняет руководитель проекта направления химико-биологических и медицинских исследований Фонда перспективных исследований (ФПИ, выступает заказчиком проекта — прим. ТАСС) Федор Арсеньев.
По его словам, только за последние четыре месяца — с ноября по февраль — эта база пополнилась данными 400 обследованных пациентов в НМИЦ онкологии Ростова-на-Дону (до 2020 года — Ростовский научно-исследовательский онкологический институт — прим. ТАСС). Акцент делается на онкологических заболеваниях легких и желудка.
"Эти патологии, во-первых, сегодня самые распространенные, в совокупности на них приходится порядка 25−30% от общей структуры онкологических заболеваний. При этом в отношении них практически нет эффективных и дешевых онкомаркеров и скрининговых программ. Поэтому если коллегам удастся в ходе нашего проекта и при практических апробациях доказать реализуемость технологии, то биогибридный скрининг социально значимых заболеваний станет научным и практическим прорывом в области здравоохранения. Важно подчеркнуть, что обнаружение патологии на ранних стадиях приводит к очень хорошим результатам терапии", — говорит руководитель проекта.
В Ростовской области с помощью биогибридной технологии обследуют не только онкобольных — ученые вместе с врачами-онкологами выезжают на предприятия региона, где участвуют в профосмотрах, сочетая классические методы обследования с новейшей разработкой. Если выявляется риск заболевания, проводятся дополнительные обследования на базе НМИЦ онкологии. По словам Арсеньева, такое обследование в Ростовской области прошли около 800 человек.
"В итоге только за шесть месяцев 2019 года в области было выявлено три случая онкологических заболеваний и два случая туберкулеза — на данный момент уже клинически подтвержденных. И это очень серьезные цифры, потому что популяционная выявляемость онкологических заболеваний [классическими методами] значительно ниже", — отмечает Арсеньев.
Перспективы проекта
Первая широкомасштабная практическая апробация биогибридных систем в режиме скрининг-обследования населения прошла в конце 2019 года в Великом Новгороде. В течение восьми дней ученые ЮФУ обследовали 1073 добровольца.
"Из них в 85 случаях мы определили риск развития онкологического заболевания… Это порядка 8% от всех обследованных, тогда как существующие методы по Великому Новгороду дают 0,1−0,4% на 1000 человек. Эти цифры позволяют говорить о том, что эта система нужна и полезна — всего за три минуты она позволяет получить результат, "подсказывая", на какого пациента нужно обратить более пристальное внимание", — рассказывает заместитель руководителя направления химико-биологических медицинских исследований ФПИ, доктор биологических наук, профессор Анатолий Ковтун.
По его словам, в этом году процесс апробации планируется сделать более широким. В частности, в Великом Новгороде планируется обследовать более 2000 человек. "На перспективу планируем [привлечь] промышленные предприятия Ростовской области, которые так или иначе связаны с вредным производством, есть предварительные договоренности с другими субъектами ЮФО, — добавляет Ковтун.
Завершить проект планируется уже в этом году. После этого прошедшие апробацию биогибридные системы будут предложены для дальнейшей проработки. В качестве потенциальных заказчиков рассматриваются, например, Минздрав России и Федеральное медико-биологическое агентство.
При этом в центре нейротехнологий ЮФУ уже сейчас думают, как усовершенствовать технологию, чтобы уйти от необходимости использовать животных в условиях медицинских учреждений.
"В рамках нашего проекта мы разрабатываем технологию изготовления биочипа как прообраза обонятельной системы животного. У нас есть соисполнитель — Нижегородский государственный университет, который также занимается этим", — говорит Кирой.
Эффективная апробация
Замглавврача новгородского Центра медицинской профилактики Антонина Саволюк, рассказывая, почему Новгородский регион стал площадкой для этого эксперимента, отметила, что область находится в лидерах по смертности, в том числе и от онкологических заболеваний, поэтому их раннее выявление более чем актуально. Учитывался и тот факт, что сам способ исследования безопасен для людей, проходящих скрининг.
"Этот метод выявляет 50% образований на ранних стадиях, имеющиеся методы [полноценно внедренные в медицинскую практику] выявляют на ранних стадиях только 5% образований. Понятно, что третью и четвертую стадии выявляют практически любые методы, но раннюю выявить достаточно сложно. Либо это случайные находки, либо это хорошо подготовленный скрининг. <…> Это то, что даст шанс на полное выздоровление, особенно это касается образований легких, потому что вторая и третья стадии протекают уже очень злокачественно, при них очень малые шансы на выздоровление. Захватить эту болезнь именно в начальной стадии важно", — сказала Саволюк.
В случае, если живой сенсор показывает положительный результат или опасность заболевания, то человека направляют на дополнительное классическое медицинское обследование.
"Этот метод для пациента комфортный, безболезненный, не требует вмешательств и предварительной подготовки. Для персонала он тоже очень удобный, потому что можно за короткий период времени провести диагностику у многих добровольцев: три — пять минут максимум".
При такой простоте применения метод исследования оказался даже точнее, чем предполагали ученые.
"Мы нашли образования разного размера, от 2 мм, то есть нижний порог чувствительности компьютерного томографа, это то, что касается образований грудной клетки, и была находка крупная — это образование 2,6 см. Сразу же в подобных случаях мы отправляем пациента на биопсию, пункцию в областную больницу", — пояснила Саволюк.
Она добавила, что у нескольких участников эксперимента были выявлено подозрение на туберкулез. Они также прошли дополнительное обследование. Кроме того, экспериментальный метод выявляет людей, имеющих предрасположенность к онкологическому заболеванию. То есть фактически болезни нет, но существует фоновое состояние для образования опухоли. Таких пациентов врачи-онкологи сразу берут под наблюдение.
"Это очень хороший шанс для людей, находящихся в зоне риска, не заболеть при правильной адекватной терапии, потому что все обнаружено вовремя", — добавила она.
Как рассказала одна из участниц эксперимента Ирина Волкова (имя изменено — прим. ТАСС), принять участие в таком способе исследования онкологических заболеваний она согласилась в том числе из-за распространенности заболевания в регионе.
"Когда в СМИ появилась информация о том, что ученые приедут именно в наш регион проверять новую теорию по диагностике рака на ранних стадиях, я сразу записалась. И нет ничего сложного, чтобы выделить десять минут своего времени и пройти обследование. С одной стороны, ты помогаешь ученым проверить свою теорию, с другой — проверяешь свое здоровье. То, что обоняние животных, в данном случае крыс, намного сильнее, чем даже у собак, — это давно известный факт. Что касается самого исследования, то все прошло очень быстро, требовалось только подышать в трубку несколько минут, никакого дискомфорта", — сказала Ирина.
Скрининг социально значимых заболеваний — не единственное направление, в котором могут найти применение биогибридные сенсорные системы. По словам руководителя Центра нейротехнологий, есть разработки, позволяющие использовать в составе аппаратно-программных комплексов крыс-сенсоров для выявления в воздухе вредных и опасных веществ, в планах — разработка по применению животных для предупреждения о приближающихся землетрясениях и цунами.
Елена Гриценко, Юлия Бабич