Talrijke onderzoeken hebben aangetoond dat getrainde honden vele soorten ziekten kunnen detecteren, waaronder long-, borst, eierstok, blaas, en prostaatkanker, en mogelijk COVID-19 - gewoon door geur. In sommige gevallen, met bijvoorbeeld prostaatkanker, de honden hadden een slagingspercentage van 99 procent bij het opsporen van de ziekte door urinemonsters van patiënten te snuiven.

Maar het kost tijd om zulke honden te trainen, en hun beschikbaarheid en tijd is beperkt. Wetenschappers hebben gezocht naar manieren om de verbazingwekkende reukvermogens van de neus en de hersenen van honden te automatiseren, in een compact apparaat. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van MIT en andere instellingen heeft een systeem bedacht dat de chemische en microbiële inhoud van een luchtmonster kan detecteren met een nog grotere gevoeligheid dan de neus van een hond. Ze koppelden dit aan een machinaal leerproces dat de onderscheidende kenmerken van de ziektedragende monsters kan identificeren.

De bevindingen, waarvan de onderzoekers zeggen dat het ooit zou kunnen leiden tot een geautomatiseerd geurdetectiesysteem dat klein genoeg is om in een mobiele telefoon te worden ingebouwd, worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift PLoS ONE , in een paper van Clare Guest van Medical Detection Dogs in het Verenigd Koninkrijk, Onderzoekswetenschapper Andreas Mershin van MIT, en 18 anderen aan de Johns Hopkins University, de Stichting Prostaatkanker, en verschillende andere universiteiten en organisaties.

"Honden, voor nu 15 jaar of zo, bleken de vroegste te zijn, de meest nauwkeurige ziektedetectoren voor alles wat we ooit hebben geprobeerd, " zegt Mershin. En hun prestaties in gecontroleerde tests hebben in sommige gevallen die van de beste huidige laboratoriumtests overtroffen, hij zegt. "Tot dusver, veel verschillende soorten kanker zijn eerder door honden ontdekt dan welke andere technologie dan ook."

Bovendien, de honden pikken blijkbaar verbanden op die tot nu toe menselijke onderzoekers zijn ontgaan:wanneer ze zijn getraind om te reageren op monsters van patiënten met één type kanker, sommige honden hebben vervolgens verschillende andere soorten kanker geïdentificeerd, hoewel de overeenkomsten tussen de monsters niet duidelijk waren voor mensen.

Deze honden kunnen "kankers identificeren die geen identieke biomoleculaire handtekeningen gemeen hebben, niets in de geurstoffen, ", zegt Mershin. Met behulp van krachtige analytische hulpmiddelen, waaronder gaschromatografie-massaspectrometrie (GCMS) en microbiële profilering, "Als je de monsters analyseert van, laten we zeggen, huidkanker en blaaskanker en borstkanker en longkanker - allemaal dingen waarvan is aangetoond dat de hond ze kan detecteren - ze hebben niets gemeen." Toch kan de hond op de een of andere manier generaliseren van één soort kanker om de anderen.

Mershin en het team hebben zich de afgelopen jaren ontwikkeld, en bleef verbeteren, een geminiaturiseerd detectorsysteem dat reukreceptoren van zoogdieren bevat die zijn gestabiliseerd om als sensoren te fungeren, waarvan de gegevensstromen in realtime kunnen worden verwerkt door de mogelijkheden van een typische smartphone. Hij stelt zich een dag voor waarop in elke telefoon een geurdetector is ingebouwd, net zoals camera's nu alomtegenwoordig zijn in telefoons. dergelijke detectoren, uitgerust met geavanceerde algoritmen ontwikkeld door middel van machine learning, vroege tekenen van ziekte mogelijk veel eerder kunnen oppikken dan typische screeningsregimes, zegt hij - en kan zelfs waarschuwen voor rook of een gaslek.

Bij de laatste testen het team testte 50 urinemonsters van bevestigde gevallen van prostaatkanker en controles waarvan bekend is dat ze vrij zijn van de ziekte, met behulp van zowel honden die zijn getraind en behandeld door Medical Detection Dogs in het VK als het geminiaturiseerde detectiesysteem. Vervolgens pasten ze een machine-learningprogramma toe om eventuele overeenkomsten en verschillen tussen de monsters te ontdekken die het op sensoren gebaseerde systeem zouden kunnen helpen de ziekte te identificeren. Bij het testen van dezelfde monsters, het kunstmatige systeem was in staat om de slagingspercentages van de honden te evenaren, waarbij beide methoden meer dan 70 procent scoorden.

Het geminiaturiseerde detectiesysteem, Mershin zegt, is eigenlijk 200 keer gevoeliger dan de neus van een hond wat betreft het kunnen detecteren en identificeren van minuscule sporen van verschillende moleculen, zoals bevestigd door gecontroleerde tests in opdracht van DARPA. Maar in termen van het interpreteren van die moleculen, "het is 100 procent dommer." Dat is waar de machine learning om de hoek komt kijken, om te proberen de ongrijpbare patronen te vinden die honden uit de geur kunnen afleiden, maar mensen hebben het niet kunnen begrijpen uit een chemische analyse.

"De honden kennen geen chemie, " zegt Mershin. "Ze zien geen lijst met moleculen in hun hoofd verschijnen. Als je een kopje koffie ruikt, je ziet geen lijst met namen en concentraties, je voelt een geïntegreerde sensatie. Dat gevoel van geurkarakter is wat de honden kunnen mijnen."

Terwijl het fysieke apparaat voor het detecteren en analyseren van de moleculen in de lucht al enkele jaren in ontwikkeling is, met veel nadruk op het verkleinen ervan, tot nu toe ontbrak de analyse. "We wisten dat de sensoren al beter zijn dan wat de honden kunnen doen in termen van detectielimiet, maar wat we nog niet eerder hebben laten zien, is dat we een kunstmatige intelligentie kunnen trainen om de honden na te bootsen, ' zegt hij. 'En nu hebben we laten zien dat we dit kunnen. We hebben aangetoond dat wat de hond doet tot op zekere hoogte kan worden nagebootst."

Deze prestatie, zeggen de onderzoekers, biedt een solide kader voor verder onderzoek om de technologie te ontwikkelen tot een niveau dat geschikt is voor klinisch gebruik. Mershin hoopt een veel grotere set monsters te kunnen testen, misschien 5, 000, om in meer detail de significante indicatoren van ziekte vast te stellen. Maar zo'n test is niet goedkoop:het kost ongeveer $ 1, 000 per monster voor klinisch geteste en gecertificeerde monsters van te verzamelen ziektedragende en ziektevrije urine, gedocumenteerd, verzonden, en geanalyseerd, zegt hij.

Terugkijkend op hoe hij bij dit onderzoek betrokken raakte, Mershin herinnerde zich een onderzoek naar de detectie van blaaskanker, waarbij een hond steeds een lid van de controlegroep verkeerd identificeerde als positief voor de ziekte, ook al was hij specifiek geselecteerd op basis van ziekenhuistests als ziektevrij. De patient, wie wist van de hondentest, ervoor gekozen om verdere tests te ondergaan, en een paar maanden later bleek de ziekte in een zeer vroeg stadium te hebben. "Ook al is het maar één geval, Ik moet toegeven dat het me heeft beïnvloed, ' zegt Mershin.