L'asma è una delle malattie respiratorie più diffuse al mondo, che colpisce più di 235 milioni di pazienti. Spesso è più difficile da diagnosticare nei bambini che negli adulti. Una diagnosi precoce è particolarmente importante per i bambini per prevenire gravi attacchi della malattia. Un team di ricercatori del Fraunhofer Research Institution for Marine Biotechnology and Cell Technology EMB ha unito le forze con alcune aziende high-tech per sviluppare un test rapido che richiede solo una goccia di sangue per diagnosticare l'asma. Per fare questo, i partner utilizzano l'apprendimento automatico.

Dispnea, mancanza di respiro e tosse sono solo alcuni dei potenziali sintomi dell'asma. Le persone colpite subiscono improvvisi attacchi di costrizione bronchiale. Identificare rapidamente la malattia è cruciale, poiché questo è l'unico modo per ridurre la minaccia di attacchi d'asma, che può anche essere fatale. È particolarmente importante identificare precocemente la malattia nei bambini per intervenire rapidamente e alleviare i sintomi. Però, diagnosticare i bambini è più complicato e noioso che diagnosticare gli adulti. Alcuni dei metodi di prova che comportano il soffiaggio in un tubo non possono essere utilizzati per i bambini piccoli. I test di funzionalità polmonare che richiedono tempo possono essere eseguiti solo dall'età di quattro o cinque anni. Per affrontare questo problema, Fraunhofer EMB ha collaborato con Pattern Recognition Company e Raytrix GmbH nel progetto "KillAsthma" sponsorizzato dallo stato federale tedesco dello Schleswig-Holstein. Si prevede che un nuovo test rapido restituirà un risultato dopo soli 60-90 minuti e tutto ciò che serve per diagnosticare l'asma è una goccia di sangue e le cellule immunitarie che contiene.

Analisi delle cellule immunitarie basata sull'intelligenza artificiale

Il profilo di movimento delle cellule del sangue degli asmatici differisce da quello degli individui sani. "Nei pazienti con asma, le cellule immunitarie si muovono molto più lentamente in presenza di uno stimolo infiammatorio, " spiega il dottor Daniel Rapoport, capo del gruppo di lavoro sulla tecnologia cellulare presso Fraunhofer EMB. Il team di ricercatori attinge a questa conoscenza per sviluppare il set di test. L'idea è di osservare le cellule immunitarie nella goccia di sangue sotto un microscopio olografico appositamente sviluppato per circa 90 minuti e, in base al loro modello di movimento, per valutare se il paziente ha l'asma. Il microscopio, indicato anche come scanner cellulare, abilita automatico, monitoraggio cellulare tridimensionale in tempo reale.

L'intelligenza artificiale (AI) gioca un ruolo chiave qui, riconoscere schemi caratteristici nei complessi schemi di movimento di migliaia di cellule. Ma come funziona la tecnologia nel dettaglio? Il sangue e una sostanza che innesca lo stimolo infiammatorio vengono inseriti in una cartuccia microfluidica e quindi posti nel microscopio miniaturizzato, che comprende un LED e un sensore di immagine CMOS ottico collegato al software del computer. Le immagini vengono valutate utilizzando algoritmi appositamente sviluppati. "Possiamo osservare da 2000 a 3000 cellule contemporaneamente, garantendo un'elevata precisione statistica, " afferma Rapoport. I modelli di movimento identificati vengono quindi trasferiti a una rete neurale. Gli algoritmi di autoapprendimento analizzano i modelli di movimento delle cellule del sangue e calcolano l'indice diagnostico. "L'intelligenza artificiale ci consente di identificare le deviazioni nei modelli. Usiamo algoritmi di autoapprendimento per catturare queste differenze. I dati di addestramento estesi aiutano le reti neurali a riconoscere i modelli e a distinguere tra i profili di chi soffre di asma e individui sani".

Estendere il metodo ad altre malattie

Si può concludere che l'IA è anche in grado di apprendere altre deviazioni dalla norma. "Il nostro metodo può essere utilizzato anche per analizzare altre malattie. Ciò è particolarmente vero per le malattie autoimmuni e infiammatorie croniche come il morbo di Crohn, colite ulcerosa e reumatismi. La diagnosi di queste condizioni è lunga, processo noioso e può essere notevolmente accelerato con un test rapido su misura, " dice il ricercatore con sede a Lubecca. "I test iniziali sono stati completati con successo. La valutazione dell'immagine ha mostrato che il nostro microscopio olografico è superiore a un microscopio ad alta potenza." Rapoport e i suoi partner di progetto stanno attualmente ottimizzando l'hardware e il metodo. Il loro obiettivo a lungo termine è identificare le manifestazioni individuali dell'asma per consentire lo sviluppo di piani di trattamento personalizzati .