Los perros son máquinas que enseñan a olfatear el cáncer

ARRIBA: Midas huele una muestra de orina.EMMA JEFFERY, PERROS DE DETECCIÓN MÉDICA

Con su legendario sentido del olfato, los perros son expertos en identificar los olores característicos de cánceres del aliento, la orina y las heces. Pero con la escasez de cachorros capacitados para oler el cáncer, es poco probable que los animales estén ampliamente disponibles para diagnósticos de rutina. En cambio, Andreas Mershin quiere que el mejor amigo del hombre le enseñe algoritmos de aprendizaje automático para detectar enfermedades, y planea poner esta tecnología en su bolsillo. Mershin, un científico investigador del Centro de Bits y Átomos del MIT, dice que su objetivo final es incorporar la capacidad de la nariz electrónica en los teléfonos inteligentes.

La detección de una señal de cáncer mediante narices electrónicas no es un concepto nuevo, pero esos que se han desarrollado hasta ahora todavía no pueden igualar la precisión de los perros, dice Mershin. Para acercarse a esa capacidad, Mershin y su equipo interdisciplinario establecen un método de prueba de concepto para la integración del olfato canino con el análisis de olores mecánicos del cáncer de próstata en un estudio publicado el 17 de febrero en PLOS ONE.

El cáncer de próstata es el segundo cáncer más común en los hombres y afecta aproximadamente a uno de cada nueve hombres en algún momento de su vida. Una herramienta ampliamente utilizada para la detección de enfermedades es la prueba del antígeno prostático específico, pero la prueba a menudo no detecta la enfermedad o conduce a diagnósticos incorrectos. En la búsqueda de mejores opciones de diagnóstico, los investigadores han buscado biomarcadores olfativos de cáncer de próstata en el ramo químico de las muestras de orina. Un equipo pudo detectar el cáncer de próstata analizando los olores de la orina con una precisión de alrededor del 86 por ciento. La idea de usar perros para detectar cánceres se propuso por primera vez para los melanomas en 1989 y, desde entonces, las habilidades caninas para detectar cáncer a menudo han eclipsado el análisis de olores basado en máquinas. precisión.

Mershin le dice a The Scientist que le llamó la atención no solo la destreza de los perros para olfatear enfermedades, sino también el hecho de que algunos cachorros, entrenados para detectar cierto tipo de cáncer, son capaces de detectar otras malignidades, a pesar de la baja similitud en los olores entre varios tipos de cáncer. Algunas mascotas no entrenadas incluso han detectado cáncer en sus dueños. [Los perros] no siguen la lista de moléculas. . . . Se guían por el carácter del olor, lo que significa que de alguna manera descubren la esencia del cáncer, dice Mershin. Eso me voló la cabeza. Ninguna herramienta analítica hasta el día de hoy puede hacer esto porque está mirando la lista de ingredientes. Saber de qué está hecho algo no es lo mismo que saber a qué huele.

Inspirándose en los caninos, Mershin y sus colegas buscaron desarrollar una inteligencia artificial que emulara las decisiones de los perros. La pregunta específica que tratamos de responder [en el estudio] es, ¿cuáles son los obstáculos y desafíos para tomar la nariz del perro y su funcionalidad y conectarla a su teléfono inteligente? dice Mershin, quien dirige el Grupo de investigación sin etiquetas del MIT, llamado así por su desprecio por los límites entre las disciplinas científicas.

Para su estudio, los investigadores obtuvieron orina de 12 hombres con Gleason de alto grado confirmado por biopsia. 9 cáncer de próstata y 38 hombres que tenían biopsias negativas. Parte de las muestras de orina se enviaron a Medical Detection Dogs en el Reino Unido para que las diagnosticaran Florin, una labrador de cuatro años, y Midas, una vizsla de pelo duro de siete años. Después de entrenar a los animales con 5 muestras de cáncer y 15 de no cáncer, los investigadores usaron las muestras restantes para evaluar las habilidades de Midass y Florins. En cada prueba, el perro examinó un carrusel que contenía tres muestras negativas para el cáncer y una muestra positiva para el cáncer. Después de oler cada recipiente de orina, el perro hizo una selección. Florin indicó una muestra positiva parándose y mirando, mientras que Midas se sentó frente a su elección. Una elección correcta le valió al cachorro un merecido regalo. 

Midas, una vizsla de pelo duro hembra de siete añosEMMA JEFFERY, PERROS DE DETECCIÓN MÉDICAFlorin, una labrador hembra de cuatro añosEMMA JEFFERY, PERROS DE DETECCIÓN MÉDICA

Ambos perros identificaron con precisión cinco de siete muestras de cáncer de próstata. De 21 muestras negativas para el cáncer, Florin tomó la decisión correcta 16 veces y Midas 14 veces. En general, los perros mostraron una sensibilidad del 71 por ciento y una especificidad del 70 al 76 por ciento. Mershin dice que la razón principal de la precisión moderada de Midass y Florins fue que recibieron una capacitación limitada, debido a la cantidad limitada de muestras de orina disponibles. Con un número tan pequeño de muestras de prueba, Santiago Marco, un físico que estudia el análisis de datos de sensores en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña y el Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona, no está convencido de que las elecciones de los perros se hayan hecho sobre la base del cáncer. detección. No está claro que tengan un apoyo muy fuerte para la afirmación de que el olfato canino es lo suficientemente sensible o incluso específico, dice Marco, quien no participó en el estudio.

Mershin dice que con entrenamiento adicional, los animales las habilidades habrían mejorado. No estábamos tratando de hacer que estos perros llegaran al 99 por ciento, lo que podemos. Muchos perros han sido entrenados con una precisión del 99 e incluso del 99,8 por ciento con COVID, malaria, Parkinson y varios tipos de cáncer. Dado el objetivo del estudio de identificar la viabilidad del enfoque de aprendizaje automático de los grupos, Mershin dice que el nivel de precisión de los perros fue adecuado.

Florin examina un carrusel que contiene muestras de orina de hombres con o sin cáncer de próstata. Da un veredicto positivo de cáncer poniéndose de pie y mirando fijamente la muestra, y es recompensada por una elección correcta con una golosina. JOHN AKEHURST, PERROS DE DETECCIÓN MÉDICA

Del canino a la computadora

Los investigadores recolectaron los compuestos volátiles que componen cada uno de los especímenes de orina y analizaron estos químicos mediante cromatografía de gases y espectrometría de masas (GC-MS). Descubrieron que las cantidades de varios compuestos volátiles estaban elevadas o reducidas en las muestras de cáncer, pero los químicos distintivos eran diferentes de los identificados por otros estudios. Mershin dice que esta aparente falta de biomarcadores consistentes para el cáncer de próstata destaca el problema de los diagnósticos de enfermedades basados en compuestos particulares o conjuntos de compuestos. En lugar de basar sus decisiones en sustancias químicas específicas, los perros identifican algo canceroso en una muestra, dice.

Como primer paso hacia el desarrollo de narices electrónicas con una capacidad similar, el equipo usó los diagnósticos de los perros para entrenar a un tipo de inteligencia artificial llamada red neuronal artificial (ANN) para evaluar los químicos volátiles detectados en la orina por GC-MS. La ANN detectó muestras de cáncer con gran precisión, dice Stephen Thaler, presidente y director ejecutivo de Imagination Engines y coautor del estudio. Pero debido al pequeño tamaño de la muestra, los investigadores dicen que sus resultados deben validarse con un experimento más grande.

Es realmente interdisciplinario lo que están haciendo y eso es genial, dice Marc Aubreville, profesor de comprensión de imágenes. y aplicación médica de inteligencia artificial en Technische Hochschule Ingolstadt en Alemania que no contribuyó al estudio. Creo que el método es sólido en lo que hicieron, pero realmente me hubiera encantado ver más ejemplos y una mejor prueba de que esto realmente funciona con el aprendizaje automático.

Mershin dice que el objetivo final del equipo es aplicar su canino Algoritmo de máquina entrenado para una nariz electrónica que contiene análogos sintéticos de receptores olfativos animales que han patentado. Pero antes de que esta herramienta esté lista para los teléfonos inteligentes, necesitan usar muchas más muestras para aumentar la precisión de detección de cáncer de los perros y luego entrenar a la ANN para que coincida con este rendimiento.

Amanda Siegel, química analítica y biofísica de El Instituto de Desarrollo de Nanosistemas Integrados (INDI), que no participó en el trabajo, dice que la investigación es prometedora, pero señala que el grupo solo observó sujetos muy enfermos. Todos son Gleason 9, por lo que hay cantidades significativas de enfermedad en la próstata. Creo que es un buen primer paso. Pero, en última instancia, tendrán que buscar muestras con puntajes de Gleason más bajos [para que la herramienta] sea más útil.

C. Guest et al., Viabilidad de la integración del olfato canino con el perfil químico y microbiano de la orina para detectar el cáncer de próstata letal, PLOS ONE, doi:10.1371/journal.pone.0245530, 2021.