Numerosi studi hanno dimostrato che i cani addestrati possono rilevare molti tipi di malattie, inclusi polmoni, Seno, ovarico, Vescica urinaria, e tumori alla prostata, e forse COVID-19, semplicemente attraverso l'olfatto. In alcuni casi, coinvolgendo il cancro alla prostata per esempio, i cani hanno avuto un tasso di successo del 99% nel rilevare la malattia annusando i campioni di urina dei pazienti.

Ma ci vuole tempo per addestrare questi cani, e la loro disponibilità e tempo è limitato. Gli scienziati sono alla ricerca di modi per automatizzare le incredibili capacità olfattive del naso e del cervello del cane, in un dispositivo compatto. Ora, un team di ricercatori del MIT e di altre istituzioni ha ideato un sistema in grado di rilevare il contenuto chimico e microbico di un campione d'aria con una sensibilità ancora maggiore rispetto al naso di un cane. Hanno abbinato questo a un processo di apprendimento automatico in grado di identificare le caratteristiche distintive dei campioni portatori di malattie.

Le scoperte, che i ricercatori dicono che un giorno potrebbe portare a un sistema di rilevamento degli odori automatizzato abbastanza piccolo da essere incorporato in un telefono cellulare, vengono pubblicati oggi sulla rivista PLoS UNO , in un articolo di Clare Guest di Medical Detection Dogs nel Regno Unito, Ricercatore Andreas Mershin del MIT, e altri 18 alla Johns Hopkins University, la Fondazione per il cancro alla prostata, e diverse altre università e organizzazioni.

"Cani, da ormai 15 anni o giù di lì, hanno dimostrato di essere i primi, rilevatori di malattie più accurati per qualsiasi cosa che abbiamo mai provato, " dice Mershin. E la loro performance nei test controllati ha in alcuni casi superato quella dei migliori test di laboratorio attuali, lui dice. "Finora, molti tipi diversi di cancro sono stati rilevati prima dai cani rispetto a qualsiasi altra tecnologia".

Cosa c'è di più, i cani apparentemente raccolgono connessioni che finora sono sfuggite ai ricercatori umani:quando vengono addestrati a rispondere a campioni di pazienti con un tipo di cancro, alcuni cani hanno poi identificato diversi altri tipi di cancro, anche se le somiglianze tra i campioni non erano evidenti per l'uomo.

Questi cani possono identificare "cancri che non hanno firme biomolecolari identiche in comune, niente negli odori, " afferma Mershin. Utilizzando potenti strumenti analitici tra cui la spettrometria di massa gascromatografica (GCMS) e la profilazione microbica, "se si analizzano i campioni da, diciamo, cancro della pelle e cancro alla vescica e cancro al seno e cancro ai polmoni, tutte cose che il cane ha dimostrato di essere in grado di rilevare, non hanno nulla in comune." Eppure il cane può in qualche modo generalizzare da un tipo di cancro per essere in grado di identificare il altri.

Mershin e il team negli ultimi anni si sono sviluppati, e ha continuato a migliorare, un sistema di rilevamento miniaturizzato che incorpora recettori olfattivi di mammifero stabilizzati per agire come sensori, i cui flussi di dati possono essere gestiti in tempo reale dalle capacità tipiche di uno smartphone. Immagina un giorno in cui ogni telefono avrà un rilevatore di odori integrato, proprio come le fotocamere sono ormai onnipresenti nei telefoni. Tali rivelatori, dotato di algoritmi avanzati sviluppati attraverso l'apprendimento automatico, potrebbe potenzialmente rilevare i primi segni di malattia molto prima rispetto ai regimi di screening tipici, dice, e potrebbe anche avvertire del fumo o di una fuga di gas.

Negli ultimi test, il team ha testato 50 campioni di urina da casi confermati di cancro alla prostata e controlli noti per essere esenti dalla malattia, utilizzando sia cani addestrati e gestiti da Medical Detection Dogs nel Regno Unito che il sistema di rilevamento miniaturizzato. Hanno quindi applicato un programma di apprendimento automatico per individuare eventuali somiglianze e differenze tra i campioni che potrebbero aiutare il sistema basato su sensori a identificare la malattia. Nel testare gli stessi campioni, il sistema artificiale è stato in grado di eguagliare le percentuali di successo dei cani, con entrambi i metodi con un punteggio superiore al 70 percento.

Il sistema di rilevamento miniaturizzato, Mershin dice, è in realtà 200 volte più sensibile del naso di un cane in termini di capacità di rilevare e identificare minuscole tracce di diverse molecole, come confermato da test controllati richiesti dalla DARPA. Ma in termini di interpretazione di quelle molecole, "è più stupido al 100%". È qui che entra in gioco l'apprendimento automatico, per cercare di trovare gli schemi sfuggenti che i cani possono dedurre dall'odore, ma gli umani non sono stati in grado di capire da un'analisi chimica.

"I cani non conoscono la chimica, " Dice Mershin. "Non vedono un elenco di molecole apparire nella loro testa. Quando annusi una tazza di caffè, non vedi un elenco di nomi e concentrazioni, senti una sensazione integrata. Quella sensazione di carattere olfattivo è ciò che i cani possono estrarre".

Mentre l'apparato fisico per rilevare e analizzare le molecole nell'aria è in fase di sviluppo da diversi anni, con gran parte dell'attenzione sulla riduzione delle sue dimensioni, fino ad ora l'analisi è stata carente. "Sapevamo che i sensori sono già migliori di quello che i cani possono fare in termini di limite di rilevamento, ma quello che non abbiamo mostrato prima è che possiamo addestrare un'intelligenza artificiale per imitare i cani, " dice. "E ora abbiamo dimostrato che possiamo farlo. Abbiamo dimostrato che ciò che fa il cane può essere replicato in una certa misura".

Questo traguardo, dicono i ricercatori, fornisce una solida struttura per ulteriori ricerche per sviluppare la tecnologia a un livello adatto per l'uso clinico. Mershin spera di poter testare una serie di campioni molto più ampia, forse 5, 000, individuare più in dettaglio gli indicatori significativi di malattia. Ma tali test non sono economici:costa circa $ 1, 000 per campione per campioni clinicamente testati e certificati di urina portatrice di malattie e indenni da raccogliere, documentato, spedito, e analizzato dice.

Riflettendo su come è stato coinvolto in questa ricerca, Mershin ha ricordato uno studio sul rilevamento del cancro alla vescica, in cui un cane continuava a identificare erroneamente un membro del gruppo di controllo come positivo per la malattia, anche se era stato specificamente selezionato in base ai test ospedalieri come libero da malattia. Il paziente, chi sapeva della prova del cane, ha deciso di fare ulteriori test, e pochi mesi dopo si scoprì di avere la malattia in una fase molto precoce. "Anche se è solo un caso, Devo ammettere che mi ha influenzato, "dice Mersin.