Определить недуг по воздуху, или как я дышала в мочеприемник

Наш корреспондент Наталия Лескова посетила лабораторию лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения в Томском госуниверситете, чтобы протестировать на себе интересные методы диагностики.

Лаборатория лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения была открыта в Томском госуниверситете совсем недавно. Помог мегагрант правительства РФ, благодаря которому было приобретено новое оборудование – в частности, рамановский конфокальный микроскоп, терагерцовый спектрометр, анализаторы выдыхаемого воздуха и многое другое. Эти приборы предназначены для работы с биологическими объектами – тканями, различными биологическими жидкостями и выдыхаемым воздухом.

«Наши исследования направлены, прежде всего, на диагностику заболеваний, – рассказывает сотрудник лаборатории Денис Вражнов. – Мы не занимаемся поиском готовых лекарств – скорее мы заняты поиском теоретических механизмов, как происходит проникновение вирусов в организм человека, как развиваются различные заболевания, как с ними бороться. За короткое время мы получили ряд уникальных данных. Прежде всего, это изменение молекулярного состава крови, слюны и прочих образцов при тех или иных патологиях. Очень сложно что-то измерять внутри человека – гораздо проще делать это опосредованно. Например, УЗИ, когда мы по отклику ультразвука измеряем свойства тканей. Здесь же мы изучаем, как свет проникает в ткани, и по изменениям характеристик отражённого света можем сказать, как меняется молекулярный профиль образца».

Денис Вражнов, научный сотрудник Лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения. Фото: Андрей Афанасьев.

Одно из направлений лаборатории – изучение онкологических заболеваний, в первую очередь речь идёт о ранней диагностике рака кожи – меланомы и рака головного мозга – глиомы. Учёные брали клетки опухоли, подсаживали лабораторным мышам, в результате чего у них происходило развитие глиомы, после этого исследователи смотрели, как изменяется молекулярный состав тканей внутри опухоли. Таким образом, можно узнать, как отличаются молекулярные профили здорового и больного мозга.

Исследователи обнаружили, что молекулярные составы при развитии глиомы и системного воспаления отличаются, хотя сами эти процессы считаются взаимосвязанными. Воспаление часто стимулирует онкологические процессы в организме. «Мы наблюдали, что у некоторых, но не у всех наших мышек сначала развивается воспаление, а потом опухоль, – пояснил Денис Вражнов. – Обычными методами это обнаружить нельзя».

При этом не всякому онкологическому процессу предшествует воспаление и не всякое воспаление становится катализатором опухолевого процесса. В каких случаях это происходит и почему, ещё предстоит изучать.

Экспериментальная установка терагерцового спектрометра, на которой планируется изучать состояние биологических тканей и жидкостей. Установку показывает Георгий Распопин. Фото: Андрей Афанасьев.

Ещё одна интересная задача, над которой работают в лаборатории – как по выдыхаемому воздуху диагностировать некоторые заболевания или опасные состояния организма. В больных клетках меняется метаболизм, какие-то вещества начинают вырабатываться в большем количестве, а какие-то, наоборот, в меньшем. Эти молекулы с кровью разносятся по всему организму, в том числе к лёгким, а затем за счёт газообмена поступают в выдыхаемый воздух. С помощью газоанализатора можно установить молекулярный состав «выдоха» и связать его с конкретным заболеванием. В томских больницах уже проводили такие исследования с больными туберкулезом, коронавирусной инфекцией, диабетом и инфарктом миокарда.

Газоанализатором можно «отловить» молекулы-маркеры, сопутствующие тому или иному патологическому состоянию. Самый известный пример – когда при диабете у больного в выдыхаемом воздухе появляется ацетон, запах которого можно почувствовать даже без всяких приборов. Но в общем случае список определяемых молекул чрезвычайно широк, поэтому имеет смысл говорить о молекулярном профиле. По нему можно диагностировать, например, предынфарктное состояние ещё до развития симптоматики.

Совсем недавнее наблюдение – молекулярный состав выдыхаемого воздуха изменяется и у людей, страдающих депрессией и биполярным расстройством. Подышав в трубочку, можно узнать даже эмоциональное состояние человека – волнуется он или спокоен.

Но одно дело услышать – совсем другое попробовать. Когда нам предложили подышать «в трубочку», чтобы проверить, нет ли у нас каких-то опасных заболеваний, я ринулась в добровольцы. И тут же усомнилась в своём решении. Потому что дышать предстояло… в мочеприемник.

«Не волнуйтесь – он стерильный, распакованный прямо при вас, – успокоила меня Ольга Захарова, научный сотрудник лаборатории. – Путём проб и ошибок мы пришли к выводу, что это самый удобный для сбора выдыхаемого воздуха резервуар».

Ольга Захарова, научный сотрудник Лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения. Фото: Андрей Афанасьев.

Дышать надо по определённым правилам. Сначала три глубоких вдоха и выдоха, потом задержать дыхание и, наконец, выдохнуть всё содержимое легких. И вот мочепримник, полный моим воздухом, отправляется на анализ.

«Мы проводим несколько вариантов такого анализа, – объясняет Денис. – Самый подробный занимает 40 минут и позволяет получить молекулярный профиль в широком диапазоне. Для него есть созданные методами машинного обучения модели, позволяющие различать у пациентов туберкулёз, хроническую обструктивную болезнь лёгких, рак лёгких, диагностировать диабет и инфаркт миокарда. В вашем случае из-за ограниченности во времени берём самый короткий, семиминутный вариант».

Но даже семь минут ждать не получается – журналистов зовут в другую лабораторию (в ТГУ мы побывали в рамках пресс-тура, организованного «Десятилетием науки и технологий»), так что я остаюсь в неведении, обречена я или нет.

Несмотря на спешку, удержаться трудно – и я всё-таки решаю напоследок заглянуть в лабораторию имиджинга, где Ольга меня успокаивает: «Видите четыре пика? – и она показывает на экране смартфона «четырёхгорбый» график. – Это означает, что всё у вас в порядке – нет ни диабета, ни грубой сердечно-сосудистой патологии». Так что жить буду.

Дальше, как пояснил Денис, мои данные обрабатываются при помощи методов искусственного интеллекта, и узнать о результате я смогу лишь через несколько дней, когда в Томске меня уже не будет.

Через несколько минут на мониторе появятся результаты экспресс-анализа выдохнутого мной воздуха. В руке у Ольги моя проба. Фото: Андрей Афанасьев.

Но есть же электронная почта! Проходит положенное время, и Денис сообщает: моя проба оказалась… среди подозрительных. «Это сравнение здоровых и больных COVID-19. Ваша проба не попала к здоровым, значит, возможно, недавно у вас было респираторное заболевание либо это последствия ковида», – предупреждает учёный.

По его словам, сейчас начался «сезон простуд», данные только набираются, поэтому сказать точно, какая именно инфекция, они пока не могут. Но понаблюдать за своим самочувствием настоятельно рекомендуют.

Но как же так, я нормально себя чувствую, ничем вроде бы не болею… По словам Дениса, он тоже хорошо себя чувствовал, но алгоритм показал легочную патологию, а потом это подтвердило обследование. «Полгода, – говорит, – по врачам таскали!»

Что ж, раз так – сдала общий и биохимический анализ крови, прошла флюорографию. Вдруг недуг где-то прячется, не давая о себе знать, протекая в латентной форме? Но всё оказалось в норме. «Алгоритм тоже может ошибаться», – подытожил Денис Вражнов.

… А ещё в лаборатории недавно провели забавный эксперимент – проанализировали выдыхаемый воздух у людей во время просмотра остросюжетного фильма. Люди испытывали стресс, и газоанализатор это «почувствовал». Вот дали бы мне подышать в трубочку, пока я ожидала результатов своих исследований – ни один фильм ужасов рядом бы не стоял по уровню стресса.