聞一聞就能診斷癌癥？可與“狗鼻子”媲美的AI癌癥檢測系統(tǒng)問世

大數據文摘授權轉載自學術頭條

作者：吳婷婷

在物質生活水平顯著提高的今天，人們最大的追求莫過于 “健康” 二字。而如何盡早、盡快、盡可能精準地檢測出癌癥等嚴重疾病，可以說是醫(yī)學研究永不過時的話題。要知道，大部分疾病如果能夠很早發(fā)現，其治愈率也將大大提高。

那么，除了諸如 CT 掃描、取樣化驗等普遍成熟的方法，你聽說過?“聞出癌癥”?這一新奇的診斷方式嗎？

實際上，已有大量研究表明，不同癌癥的患者會散發(fā)出某些特別的氣味，這些氣味微乎其微，幾乎不可能被識別出。但巧妙的是，狗狗的嗅覺比人類嗅覺靈敏得多，大概比人類的高一百萬倍！因此，受過訓練的狗可以通過嗅聞方式檢測出癌癥及其他疾病，這就是 “聞出癌癥” 的緣由。

而現在，麻省理工學院（MIT）和其他機構的研究人員從這些 “嗅癌犬” 身上得到靈感，共同提出了一種人工智能（AI）氣味檢測系統(tǒng)。該 AI 系統(tǒng)可以自動檢測出空氣樣品中的化學成分和微生物含量，“嗅覺” 靈敏度甚至比狗鼻子還要高。該系統(tǒng)還利用機器學習過程，可以識別出帶有疾病的樣本的獨特特征。

相關研究論文以題目 “Feasibility of integrating canine olfaction with chemical and microbial profiling of urine to detect lethal prostate cancer” 于 2 月 17 日發(fā)表在 PLOS One 雜志上。

研究人員表示，在不久的將來，科學家們可能會憑借這一研究，成功制造出一種足夠小的自動氣味檢測系統(tǒng)?，甚至小到能夠將其整合到我們的手機中。

嗅癌犬：我的鼻子超乎你想象

我們知道，狗狗嗅出癌癥的前提是其靈敏的嗅覺。但你可能不知道的是，相比于人類，它們的嗅覺究竟強大到何種程度。

第一，狗狗的嗅上皮尺寸巨大（人類的只有 10cm2，而狗狗的有 170 cm2 ）；第二，它們擁有大量嗅覺受體（人類擁有 500 多萬，而狗狗多達 20 多億）；第三，嗅粘膜的致密神經支配使狗狗能從不引人注意的氣味中 “分辨” 出有意義的氣味。

因此，訓練有素的狗狗可以僅憑氣味，就能檢測出包括肺癌、乳腺癌、卵巢癌、膀胱癌和前列腺癌等多種疾病，甚至是新冠病毒感染。而在某些情況下，例如前列腺癌檢測，這些 “嗅癌犬” 只需要嗅探患者的尿液樣本，就能檢測出該疾病，成功率高達為 99％！

圖 | 有關嗅癌犬的已有報道（來源：學術頭條統(tǒng)計）

研究論文作者之一、MIT 科學家 Andreas Mershin 說：“到目前為止，在我們的所有嘗試之中，狗狗已經被證明是最早、最準確的疾病檢測器，正經算起來，嗅癌犬已有 15 年左右的歷史。在某些情況下，嗅癌犬在受控測試中的性能已經超過了目前最好的實驗室測試。到目前為止，狗狗發(fā)現許多不同類型的癌癥比其他任何技術都要早。”

而更重要的是，嗅癌犬還能夠發(fā)現一些迄今為止人類研究人員未能察覺的聯(lián)系：比如在經過訓練成功對來自某種癌癥患者的樣本有所反應后，有些狗狗還能夠識別出其他幾種癌癥，盡管這些樣本之間的相似性并不明顯（當然，是相對人類而言）。

但這種方法顯然也有其不足之處：訓練狗狗需要很長時間，同時其可用性和可用時間也有限制。可以想見，如果依靠狗狗嗅探來診斷癌癥，盡管成功率很高，但整個流程的效率其實較低。因此，此次的科研團隊希望 AI 向嗅癌犬們學習，嘗試建立一套完整的 AI 設備，來自動實現狗鼻子驚人嗅覺與大腦傳達 “非比尋常” 信息的疾病診斷方法。

AI 癌癥嗅探器的嘗試

在此次研究中，科學家們首先選定了四只嗅癌犬來測試它們的癌癥診斷準確率。

研究人員收集了 50 份男性尿液樣本，其中 12 份來自已確診的前列腺癌患者。他們先用其中 5 份癌癥樣本和 15 份陰性樣本對狗進行訓練。訓練之后，研究人員又用剩余的尿液樣本對兩條狗進行了測驗。

圖 | 實驗中的一只嗅癌犬正在聞尿液樣本

從下圖中可以看出，在 21 個對照樣品中，狗狗 Florin 產生 5 個假陽性指示，具有 76.2％的特異性，而狗狗 Midas 產生 6 個假陽性指示，具有 70％的特異性。兩只狗則正確地指示出 7 個目標樣本中的 5 個，靈敏度為 71.4%。

接下來，研究人員利用氣相色譜 - 質譜（GC-MS）分析了每份尿液中的揮發(fā)性有機化合物（VOC），同時還利用測序技術分析了尿液中自然存在的微生物，尋找前列腺癌陽性樣本與陰性樣本之間的區(qū)別。結果發(fā)現，當測試相同樣品時，人工系統(tǒng)與嗅癌犬的成功率不相上下，兩種方法的成功率均超過 70％。

實際上，Mershin 及其團隊在過去幾年中一直在努力開發(fā)并持續(xù)改進一種小型氣味檢測器系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用一種哺乳動物嗅覺受體作為氣味傳感器，將通過典型智能手機的功能來對所獲得的傳感器數據流進行實時處理。

此外，這種氣味檢測器將配備一種先進算法，該算法通過機器學習開發(fā)出來，具有比典型的篩查方案更快發(fā)現疾病早期征兆的潛力，甚至還可以對煙霧或煤氣泄漏進行報警。

難點與展望

Mershin 說，實際上，在成功檢測和識別不同分子的微小痕跡方面，這款微型化檢測系統(tǒng)的靈敏度已經比狗鼻子高出 200 倍，這是已經得到受控測試證實的。但另一方面，當需要解釋被測分子究竟是什么的時候，該檢測器還處于 “遲鈍” 水平。而這就是機器學習的目的，即試圖找到狗狗為何可以從氣味中推斷出人類難以捕捉的特征 —— 這一點也一直是人類無法從化學分析中所掌握的難點。

“狗狗其實并不懂得任何所謂的化學成分，”Mershin 說，“它們的大腦中不會出現分子列表。這就像你聞到一杯咖啡時，你的腦中并不會浮現出其成分名稱和濃度列表一樣。”

關于這項研究的突破點，正如研究人員所說：“就氣味檢測的效果而言，我們已經知道很多氣味傳感器比嗅癌犬的性能更好。但是之前沒有得到證實的是，我們可以訓練人工智能來模仿狗狗的嗅覺檢測過程。而現在，我們的實驗已經表明完全可以做到這一點。也就是說 ，嗅癌犬的 整個工作流程可以通過人工智能在一定程度上得以復制。”

這項成就為進一步研究將該技術發(fā)展到適合臨床使用的水平提供了堅實的框架。不過可以預料到的是，還未成熟的 AI 檢測花費較高：要收集，記錄，運輸和分析攜帶疾病和無疾病尿液的臨床測試和認證樣品，因此目前檢測每個樣品的成本約為 1000 美元。

關于參與這項研究的緣由，Mershin 回顧了一項關于膀胱癌檢測的研究，在該研究中，一只狗對于對照組中的一名成員的診斷結果始終是膀胱癌呈陽性，但奇怪的是，該成員在參加測試前就經過了醫(yī)院的嚴密診斷并認定健康。而后，該成員選擇進一步進行健康測試。在幾個月后，他果然確診 —— 他的確患有膀胱癌，不過還處于癌癥非常早期的階段。Mershin 說：“即使這只是個例，但我不得不承認這確實影響了我，讓我決心對狗狗的嗅探檢測過程一探究竟。”

此外，雖然該團隊已經花了好幾年時間來開發(fā)用于檢測和分析空氣中分子的物理設備，但其實他們的大部分精力都集中在減小檢測器尺寸上。相信有一天，這種 AI 疾病嗅探器可以足夠微小，讓每部手機都能內置一個這樣的氣味探測器，就像現在手機中固有的攝像頭一樣。

參考資料：
https://phys.org/news/2021-02-disease-sniffing-device-rivals-dog-nose.html
https://news.mit.edu/2021/disease-detection-device-dogs-0217
https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0245530

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