Представьте себе сценарий, в котором одна капля крови позволяет получить исчерпывающую информацию о состоянии здоровья в течение нескольких минут. Благодаря последним научным достижениям это может стать реальностью. Ученые из группы BIRD под руководством Михаэлы Жигман из Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене (LMU) и Института квантовой оптики Макса Планка (MPQ) разработали инструмент для скрининга здоровья, который использует инфракрасный свет и машинное обучение для выявления состояния здоровья с помощью одного измерения.
Инфракрасная спектроскопия – метод, использующий инфракрасное излучение для анализа молекулярного состава веществ, – уже несколько десятилетий является основополагающим инструментом в химии. Это как наделение молекул отпечатком пальца, который может быть получен с помощью специализированной машины, называемой спектрометром. При применении к сложным биологическим жидкостям, таким как плазма крови, этот физико-химический метод позволяет получить подробную информацию о молекулярных сигналах, что делает его перспективным инструментом медицинской диагностики. Несмотря на то, что инфракрасная спектроскопия давно используется в химии и промышленности, она до сих пор не вошла в практику медицинской диагностики.
Команда ученых предприняла попытку решить эту проблему. Создав ранее метод измерения человеческой плазмы, исследователи впервые применили инфракрасный метод молекулярной дактилоскопии в условиях естественного разнообразия населения. Для этого была взята кровь у тысяч людей в рамках исследования KORA – комплексного проекта по изучению здоровья, созданного в Аугсбурге (Германия). Случайно отобранные взрослые были выбраны в качестве репрезентативного сценария для естественно изменчивой популяции и привлечены к медицинскому осмотру и сдаче крови.
Более 5 000 образцов плазмы крови были измерены с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Ученые проанализировали образцы крови, чтобы получить молекулярные «отпечатки пальцев». Команда применила машинное обучение для анализа молекулярных отпечатков и соотнесла их с медицинскими данными. Было обнаружено, что эти отпечатки содержат ценную информацию, которая позволяет быстро проверить состояние здоровья. Многозадачный компьютерный алгоритм теперь способен различать различные состояния здоровья, включая аномальные уровни липидов в крови, изменения артериального давления, видеть диабет второго типа, а также выявлять даже преддиабет – предшественника диабета, который часто остается незамеченным.
Интересно, что алгоритм также смог выделить людей, которые были здоровы и оставались такими на протяжении всех исследуемых лет. Это очень важно по двум причинам: во-первых, большинство людей в любой случайной популяции испытывают аномальные изменения в состоянии здоровья, а учитывая, что все мы разные, а также то, что все мы меняемся со временем, найти полностью здоровых людей практически невозможно.
Во-вторых, многие люди страдают от нескольких заболеваний в различных комбинациях. Традиционно врачам требовался новый тест для каждого из них. Однако новый подход позволяет не просто выявить одно заболевание за раз, а точно определить целый ряд проблем со здоровьем. Эта система, основанная на машинном обучении, не только идентифицирует здоровых людей, но и выявляет сложные состояния, включающие несколько болезней одновременно. Более того, она может предсказать развитие метаболического синдрома за несколько лет до появления симптомов, что дает возможность принять необходимые меры.
Это исследование, опубликованное в журнале Cell Reports Medicine закладывает основу для того, чтобы инфракрасная молекулярная дактилоскопия стала рутинной частью медицинского обследования, позволяя врачам более эффективно выявлять и лечить заболевания. Это особенно важно для таких метаболических нарушений, как холестериновые аномалии и диабет, когда своевременное и эффективное вмешательство может значительно улучшить результаты.
Однако потенциальные возможности применения этой технологии простираются еще дальше. По мере того как исследователи будут продолжать совершенствовать систему и расширять ее возможности путем развития технологий и их внедрения в контекст клинических исследований, в диагностику будет добавляться все больше типов состояния здоровья и их комбинаций, надеются исследователи. Это может привести к персонализированному мониторингу здоровья, когда человек будет регулярно проверять его состояние и выявлять потенциальные проблемы задолго до того, как они станут серьезными.
В заключение следует отметить, что сочетание инфракрасной спектроскопии с машинным обучением способно изменить качество жизни населения.
[Фото: ru.123rf.com]