Studieschema för hunddoftförsök.(A) De två hundarna, Florin och Midas, valt att delta i rättegången. (B) Bild av presentationskrukorna. (C) Testkrukor placerade i metallarmen fäst vid karusellen. (D) Jämförelse av indikationer till biopsi-negativ kontroll och cancerprover i dubbelblind studie. Denna tabell visar att av de 21 kontrollproverna, Florin gav 5 falskt positiva indikationer som resulterade i 76,2 % specificitet jämfört med Midas 6 falskt positiva indikationer som resulterade i 70 % specificitet. Båda hundarna indikerade korrekt till 5 av 7 målprover som gav 71,4 känslighet. Kredit:Guest et al, 2021 ( PLOS ETT , CC-BY 4.0, creativecommons.org/licenses/by/4.0/)
Många studier har visat att tränade hundar kan upptäcka många typer av sjukdomar - inklusive lungor, bröst, äggstockar, blåsa, och prostatacancer, och möjligen covid-19 – helt enkelt genom lukt. I vissa fall, som involverar prostatacancer till exempel, hundarna hade 99 procent framgång i att upptäcka sjukdomen genom att sniffa patienternas urinprov.
Men det tar tid att träna sådana hundar, och deras tillgänglighet och tid är begränsad. Forskare har letat efter sätt att automatisera de fantastiska luktförmågan hos hundens näsa och hjärna, i en kompakt enhet. Nu, ett team av forskare vid MIT och andra institutioner har kommit fram till ett system som kan detektera det kemiska och mikrobiella innehållet i ett luftprov med ännu större känslighet än en hunds nos. De kopplade detta till en maskininlärningsprocess som kan identifiera de särskiljande egenskaperna hos de sjukdomsbärande proverna.
Resultaten, som forskarna säger en dag kan leda till ett automatiserat luktdetekteringssystem som är tillräckligt litet för att integreras i en mobiltelefon, publiceras idag i tidskriften PLoS ETT , i en artikel av Clare Guest från Medical Detection Dogs i Storbritannien, Forskaren Andreas Mershin vid MIT, och 18 andra vid Johns Hopkins University, Prostatacancerfonden, och flera andra universitet och organisationer.
"Hundar, för nu 15 år eller så, har visat sig vara de tidigaste, mest exakta sjukdomsdetektorer för allt vi någonsin har provat, " säger Mershin. Och deras prestanda i kontrollerade tester har i vissa fall överträffat de bästa nuvarande labbtesterna, han säger. "Än så länge, många olika typer av cancer har upptäckts tidigare av hundar än någon annan teknik."
Vad mer, hundarna upptäcker tydligen kopplingar som hittills har undgått mänskliga forskare:när de tränats i att svara på prover från patienter med en typ av cancer, vissa hundar har sedan identifierat flera andra typer av cancer – även om likheterna mellan proverna inte var uppenbara för människor.
Dessa hundar kan identifiera "cancer som inte har några identiska biomolekylära signaturer gemensamma, ingenting i luktämnena, " säger Mershin. Genom att använda kraftfulla analytiska verktyg inklusive gaskromatografi masspektrometri (GCMS) och mikrobiell profilering, "om du analyserar proverna från, låt oss säga, hudcancer och blåscancer och bröstcancer och lungcancer – alla saker som hunden har visat sig kunna upptäcka – de har inget gemensamt." Ändå kan hunden på något sätt generalisera från en typ av cancer för att kunna identifiera andra.
Mershin och teamet under de senaste åren har utvecklats, och fortsatte att förbättra, ett miniatyriserat detektorsystem som innehåller däggdjursluktreceptorer stabiliserade för att fungera som sensorer, vars dataströmmar kan hanteras i realtid av en typisk smartphones kapacitet. Han föreställer sig en dag då varje telefon kommer att ha en inbyggd doftdetektor, precis som kameror nu är allestädes närvarande i telefoner. Sådana detektorer, utrustad med avancerade algoritmer utvecklade genom maskininlärning, kan potentiellt upptäcka tidiga tecken på sjukdom mycket tidigare än typiska screeningregimer, säger han — och kunde till och med varna för rök eller gasläcka också.
I de senaste testerna, teamet testade 50 urinprover från bekräftade fall av prostatacancer och kontroller som var kända för att vara fria från sjukdomen, använder både hundar som tränas och hanteras av Medical Detection Dogs i Storbritannien och det miniatyriserade detektionssystemet. De tillämpade sedan ett maskininlärningsprogram för att peka ut eventuella likheter och skillnader mellan proverna som kunde hjälpa det sensorbaserade systemet att identifiera sjukdomen. Vid testning av samma prover, det konstgjorda systemet kunde matcha framgångsfrekvensen för hundarna, med båda metoderna med mer än 70 procent.
Det miniatyriserade detektionssystemet, Mershin säger, är faktiskt 200 gånger känsligare än en hunds nos när det gäller att kunna upptäcka och identifiera små spår av olika molekyler, som bekräftats genom kontrollerade tester på uppdrag av DARPA. Men när det gäller att tolka dessa molekyler, "det är 100 procent dummare." Det är där maskininlärningen kommer in, att försöka hitta de svårfångade mönstren som hundar kan sluta sig till från doften, men människor har inte kunnat förstå från en kemisk analys.
"Hundarna kan ingen kemi, Mershin säger. "De ser inte en lista över molekyler som dyker upp i deras huvud. När du luktar en kopp kaffe, du ser inte en lista med namn och koncentrationer, du känner en integrerad känsla. Den känslan av doftkaraktär är vad hundarna kan bryta."
Medan den fysiska apparaten för att detektera och analysera molekylerna i luft har varit under utveckling i flera år, med mycket fokus på att minska dess storlek, tills nu saknades analysen. "Vi visste att sensorerna redan är bättre än vad hundarna kan göra när det gäller gränsen för detektion, men det vi inte har visat tidigare är att vi kan träna en artificiell intelligens för att härma hundarna, " säger han. "Och nu har vi visat att vi kan göra det här. Vi har visat att det hunden gör kan replikeras till en viss grad."
Denna prestation, forskarna säger, ger en solid ram för vidare forskning för att utveckla tekniken till en nivå som lämpar sig för klinisk användning. Mershin hoppas kunna testa en mycket större uppsättning prover, kanske 5, 000, för att mer i detalj peka ut de betydande indikatorerna på sjukdom. Men sådana tester är inte billiga:det kostar ungefär $1, 000 per prov för kliniskt testade och certifierade prover av sjukdomsbärande och sjukdomsfri urin som ska samlas in, dokumenterat, skickas, och analyserat säger han.
Reflekterar över hur han blev involverad i denna forskning, Mershin påminde om en studie av cancer i urinblåsan, där en hund ständigt felidentifierade en medlem av kontrollgruppen som positiv för sjukdomen, även om han hade blivit specifikt utvald baserat på sjukhustester som sjukdomsfri. Patienten, som visste om hundens test, valde att ha ytterligare tester, och några månader senare visade sig ha sjukdomen på ett mycket tidigt stadium. "Även om det bara är ett fall, Jag måste erkänna att det påverkade mig, säger Mershin.
