У медицины есть инструменты для борьбы практически со всеми болезнями. Мы на популяционном уровне выявляем и лечим сердечно-сосудистые заболевания, сахарный диабет, инфекции и многое другое. Техники и технологии, которыми мы пользуемся, пока очень далеки от совершенства, но они есть.
Со своевременной диагностикой рака все гораздо хуже. Существующие методы скрининга требуют забора биоматериалов, сложны, дороги и ограничены в своих возможностях. Поэтому пока одни ученые их совершенствуют, другие ищут совершенно новые способы диагностики — и иногда возвращаются из своих поисков с довольно необычными идеями. Недавно американские исследователи использовали мозг и усики живой саранчи для диагностики опухолей по запаху. Статья об этом пока не прошла рецензирование и доступна лишь в виде препринта. В нынешнем виде технология, конечно, непригодна для клинического использования, однако в ее перспективах стоит разобраться. К тому же это далеко не первая попытка «вынюхать» рак (еще бы, потенциальный неинвазивный онкоскрининг!), и в этой области уже накопилось немало интересного.
Диагностика болезней по запаху известна по меньшей мере со времен Древней Греции. Некоторые состояния сопровождаются выделением характерных летучих соединений, различимых человеческим носом. Например, диабетический кетоацидоз пахнет фруктами или ацетоном, печеночная недостаточность — несвежей рыбой, почечная — мочой, а у анаэробного абсцесса легкого запах сточных вод. Однако все это касается достаточно тяжелых, запущенных заболеваний. О раннем выявлении здесь речи не идет.
Сумма технологий
В XX веке развитие представлений об обмене веществ в организме, технологий сбора образцов и высокоточных методов химического анализа (в первую очередь масс-спектрометрии), естественно, подталкивало исследователей к созданию метода неинвазивной диагностики заболеваний по выдыхаемому человеком воздуху.
Первую значимую попытку предприняла в 1971 году стэнфордская лаборатория нобелевского лауреата Лайнуса Полинга (Linus Pauling). С помощью газово-жидкостной хроматографии ученые провели количественную оценку примерно 250 веществ в дыхании и около 280 — в испарениях мочи пациентов. Испытуемые должны были несколько дней готовиться к сдаче анализов, придерживаясь строгой диеты, а для работы с их дыханием и испарениями мочи использовалось сложное и дорогостоящее оборудование. Для массового применения методика не подходила. К тому же, обонятельные профили конкретных заболеваний тогда разработаны не были.
Исследования, тем не менее, продолжались. Сейчас всех их относят в специальный раздел метаболомики, который называют «бризомика» (breathomics, от англ. breath — «дыхание»), или «волатоломика» (volatolomics, от англ. volatile compounds — «летучие соединения») — устоявшегося перевода на русский язык у этих имен пока нет. Сама концепция этой дисциплины отталкивается от идеи, что все клетки организма, как нормальные, так и патологически измененные (особенно злокачественные, которые добывают энергию не гликолизом, а окислительным фосфорилированием), в процессе метаболизма выделяют определенный, свойственный только им набор низкомолекулярных летучих органических соединений (ЛОС). Эти вещества поступают в кровь и в небольших, но определяемых концентрациях (от миллиардных до триллионных объемных частей) выводятся с выдыхаемым воздухом, а также присутствуют в поте, слюне, моче и кале.
Однако помимо этих, эндогенных ЛОС, в дыхании человека содержатся экзогенные примеси: от пищи, напитков, некоторых лекарств, табака и атмосферных химикатов, а также продукты метаболизма микробиома (в первую очередь, ротовой полости, дыхательных путей и желудочно-кишечного тракта). Общее число известных «дыхательных» ЛОС уже больше 3000. Все это существенно осложняет определение запахов отдельных заболеваний.
Тем не менее, эти методики уже есть и продолжают разрабатываться. Их реализация состоит из трех этапов.
- На первом образцы для анализа собирают в химически инертные емкости и концентрируют с использованием конденсационных камер, криопреципитации, термических сорбционных трубок, твердофазной микроэкстракции или игольчатых ловушек.
- На втором проводят их химический анализ путем различных видов хроматографии/масс-спектрометрии, а также набирающих популярность ядерной магнитно-резонансной, флуоресцентной, терагерцовой спектроскопий и «электронных носов» на основе сенсорных наночастиц.
- На третьем «запахи» отдельных заболеваний выделяют из совокупности выявленных ЛОС с помощью статистических алгоритмов — и составляют заключение.
Сегодня предсказать запах опухоли, зная ее метаболизм — задача крайне сложная. Однако, оставив в стороне сложную задачу по моделированию запаха, на практике можно идти чисто эмпирическим путем: создавая в будущем пополняемые и уточняемые базы данных с профилями ЛОС конкретных опухолей по аналогии с базами данных генетических онкомаркеров.
Очевидно, что существующие методики требуют отдельных лабораторий, сложны, дороги и пока далеки от широкого применения для скрининга, хотя перспективы развития у них, несомненно, есть.
Живые детекторы
Пока одни исследователи разбираются с инструментальными трудностями такой диагностики, другие пытаются задействовать природные «детекторы» — носы животных, которые уже неплохо себя зарекомендовали при поиске взрывчатых и наркотических веществ.
Впервые об этом подумали сотрудники британской Больницы Королевского колледжа Хайуэл Уильямс (Hywel Williams) и Андрес Пемброук (Andres Pembroke). В 1989 году они описали случай, в котором собака постоянно обнюхивала и пыталась укусить родинку на ноге 44-летней хозяйки — и таким образом помогла выявить раннюю стадию меланомы.
С тех пор разные научные коллективы пытаются использовать собак для диагностики рака легких, груди, простаты, кишечника, пигментных клеток кожи и прочих злокачественных опухолей. Помимо онкологических заболеваний, в поле зрения «медицинских дрессировщиков», попадали гипогликемия при передозировке инсулина, а также туберкулез, малярия, ковид и другие инфекции. Оптимизма добавляло то, что животным в подобных экспериментах, похоже, не мешали фоновые запахи в помещении.
Со временем, однако, в собачьей диагностике нашлись и минусы. По мере накопления данных стало выясняться, что метод обладает невысокой чувствительностью, эксперименты грешат невоспроизводимостью результатов (об проблемах воспроизводимости в онкобиологии читайте материал, степень ложноположительных диагнозов носом велика, да и вообще техника недостаточно эффективна. Доходило даже до судебных исков к чересчур оптимистичным предпринимателям, поспешившим ее коммерциализировать.
Если учесть еще и тот факт, что разведение, обучение и содержание собак весьма затратны, становится понятно, что без серьезных технологических прорывов (например, разработки унифицированных максимально защищенных от ошибок протоколов дрессировки, использования генно-модифицированных животных) перспективы применения метода крайне ограничены.
Выход киборгов
Тем не менее, диагностика болезней с помощью «живых инструментов» интересовать исследователей не перестала. Новая работа американских ученых, однако, описывает весьма экзотическое решение в и без того молодой и нетривиальной исследовательской области.
Во-первых, они решили вместо «стандартных» млекопитающих обратиться к гораздо более простым существам — насекомым. Они неприхотливы, быстро и без проблем размножаются в искусственных условиях и, главное, обладают недюжинным обонянием. Правда, чтобы оно работало нужным для ученых образом, им пришлось кибернетически усовершенствовать своих подопечных.
Сотрудники Университета штата Мичиган использовали взрослых (после пятой линьки) особей североамериканской саранчи Schistocerca americana, система распознавания запахов у которой хорошо изучена (строго говоря, «саранчой» в быту называют самых разных насекомых, включая и Schistocerca americana, но вообще этот вид не роится и не мигрирует, поэтому правильнее называть их кобылками). Эти насекомые улавливают химические стимулы обонятельными рецепторными нейронами в усиках. Используя комбинаторную кодирующую схему, 50 таких нейронов способны распознать до 250 отдельных ЛОС — что суммарно дает несколько триллионов запахов. Сигналы от усиков поступают в обонятельные доли мозга, где обрабатываются сетью проекционных нейронов.
Насекомых закрепили на хирургической платформе, зафиксировали их усики и получили прямой доступ к их мозгу, чтобы поместить в обонятельные доли 16-канальные кремниевые электроды. Электроды регистрировали активность отдельных проекционных нейронов и отправляли эти данные в записывающее оборудование.
В эксперименте киборгизированные насекомые «нюхали» клетки трех разновидностей рака ротовой полости (Ca9-22, HSC-3 и SAS) и здорового эпителия HaCaT, выращенные на одинаковых питательных средах.
На стадии обучения ЛОС клеточных культур собирали и подавали к усикам кобылок с помощью стандартного ольфактометра. При этом исследователи регистрировали и статистически обрабатывали пространственно-временную картину возбуждения нейронов обонятельных долей в ответ на каждый запах.
Выявленные паттерны оказались отчетливыми и индивидуальными (р < 0,05). С их помощью в эксперименте удалось отличить все типы рака друг от друга, от здоровых клеток, от чистой питательной среды и контрольных ЛОС (ундекана и гексаналя) в 100 процентах случаев. На распознавание запаха уходило всего 250 миллисекунд.
Дополнительные опыты показали, что система сохраняет эффективность на разных этапах жизненного цикла раковых клеток, когда под влиянием их метаболизма химический состав среды меняется.
«В этом исследовании мы продемонстрировали технологическую осуществимость и функциональную устойчивость подобного подхода для неинвазивной диагностики рака», — заключают авторы работы.
Саранча для врача
В нынешнем состоянии саранчи-киборги еще не готовы, конечно, к клиническому применению, и даже клиническим испытаниям. При проведении эксперимента для получения четкого сигнала требовалась регистрация активности 40 нейронов. С учетом использования 16-канальных датчиков исследователям приходилось задействовать одновременно от 6 до 10 насекомых, поддерживая жизнеспособность мозга каждого из них, и комбинировать их реакции на запах для получения целостной картины. Это чрезмерно сложная и громоздкая конструкция.
Главное достоинство технологии в том, что такой сенсор улавливает запах конкретной опухоли целиком, независимо от его конкретных химических составляющих. Регистрируемый при этом нейрональный «отпечаток» достаточно отчетлив, уникален и, как показали эксперименты, может «просвечивать» сквозь шум других обонятельных сигналов. При этом результат выдается немедленно.
Но и нерешенных проблем остается немало. Причем не только технологических. Например, если саранчу-киборга — будь то кобылки, кузнечики, сверчки или представители настоящих саранчовых — превратят в полноценную диагностическую систему, при ее юридической регистрации неизбежно возникнут затруднения. Как ее классифицировать? Ни в одном национальном реестре медицинских приборов нет такого типа датчика, как «мозг насекомого». Кроме того, это живой биоматериал, обращение с которым подлежит особой регуляции. Чтобы преодолеть такие, сугубо бюрократические препятствия, методике придется продемонстрировать исключительный скрининговый (и коммерческий) потенциал — потому что для ее применения придется вносить правки в довольно массивный корпус юридической документации в области здравоохранения.
Также неизбежно возникнут и этические вопросы — ведь технология в буквальном смысле использует в качестве расходного материала мозг живого существа. Впрочем, ученым есть что сказать в ее защиту. Во-первых, мы до сих пор точно не знаем, чувствуют ли боль насекомые и можно ли ее описать именно как страдание (о ноцицепции у животных подробнее читайте в материале «Боль головоногая»). Угроза исчезновения саранче, мягко говоря, не грозит — даже Schistocerca americana периодически наносят значительный вред полям Флориды — с этими насекомыми борются пестицидами и биологическими методами. Более того, люди не первый год едят насекомых и используют для самых разных опытов — от школьных уроков биологии до академических и коммерческих исследований. В общем, настало время получить от вредителей ощутимую пользу.
Пока что авторы продолжают совершенствовать технологию. Сейчас они работают над повышением ее разрешающей способности, используя высокоточные электроды, чтобы для диагностики хватало мозга одного насекомого. Параллельно идет разработка портативной платформы, датчиком в которой служат только мозг саранчи в питательной среде и ее усики. В таком виде методика может быть пригодна для клинических испытаний.
Так что не исключено, что в обозримом будущем в арсенале медиков появится что-то вроде «гибридной биоэлектронной ольфактоаналитической мобильной системы для скрининговой диагностики определенных типов онкологических заболеваний в различных возрастных группах в рамках программ диспансеризации». Переводя на человеческий язык, это значит, что на приеме у врача вы сможете подышать в устройство и сразу узнать, не пора ли обратиться к онкологу. Пока не поздно.
Автор: Олег Лищук