Un dispositivo annusa le malattie come il naso dei cani

Un team di ricercatori del MIT e di altre istituzioni ha messo a punto un sistema in grado di rilevare il contenuto chimico e microbico di un campione d'aria con una sensibilità ancora maggiore di quella del naso di un cane

Numerosi studi hanno dimostrato che i cani addestrati possono rilevare molti tipi di malattie, tra cui tumori del polmone, della mammella, dell’ovaio, della vescica e della prostata e forse il Covid-19, semplicemente attraverso l’olfatto.

In alcuni casi, sul cancro alla prostata, ad esempio, i cani hanno avuto una percentuale 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 il loro tempo sono limitati. Gli scienziati sono alla ricerca di modi per automatizzare le sorprendenti capacità olfattive del naso e del cervello dei cani, in un dispositivo compatto.

Ora, un team di ricercatori del MIT e di altre istituzioni ha messo a punto un sistema in grado di rilevare il contenuto chimico e microbico di un campione d’aria con una sensibilità ancora maggiore di quella del naso di un cane. La gestione del dispositivo è stata associata questo a un processo di apprendimento automatico in grado di identificare le caratteristiche distintive dei campioni portatori di malattie.

I risultati, che secondo i ricercatori potrebbero un giorno portare a un sistema automatizzato di rilevamento degli odori abbastanza piccolo da essere incorporato in un cellulare, sono stati pubblicati il ​​17 febbraio 2021 sulla rivista PLOS One, in un articolo di Claire Guest di Medical Detection Dogs nel Regno Unito, il ricercatore Andreas Mershin del MIT e altri 18 della Johns Hopkins University, la Prostate Cancer Foundation e diverse altre università e organizzazioni.

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I cani, ormai daa 15 anni, hanno dimostrato di essere i primi e più accurati rilevatori di malattie“, dice Mershin. E le loro prestazioni nei test controllati in alcuni casi hanno superato quella dei migliori test di laboratorio attuali, afferma. “Finora, molti diversi tipi di cancro sono stati rilevati prima dai cani rispetto a qualsiasi altra tecnologia“.

Inoltre, i cani apparentemente raccolgono connessioni che finora sono sfuggite ai ricercatori umani: quando 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 gli esseri umani.

Questi cani possono identificare “tumori che non hanno firme biomolecolari identiche in comune, niente negli odori“, dice Mershin.

Utilizzando potenti strumenti analitici, tra cui la spettrometria di massa gascromatografica (GCMS) e il profilo microbico, “se analizzi i campioni di, diciamo, cancro della pelle e della vescica e cancro al seno e ai polmoni – tutte cose che il cane ha dimostrato di essere in grado di da rilevare: non hanno nulla in comune“.

Eppure il cane può in qualche modo generalizzare da un tipo di cancro ed essere in grado di identificarne altri tipi.

Mershin e il team negli ultimi anni hanno sviluppato, e hanno continuato a migliorare, un sistema di rilevamento miniaturizzato che incorpora recettori olfattivi dei mammiferi stabilizzati per agire come sensori, i cui flussi di dati possono essere gestiti in tempo reale dalle funzionalità di uno smartphone tipico.

Immagina un giorno in cui ogni telefono avrà un rilevatore di odore integrato, proprio come le fotocamere che sono ormai onnipresenti nei telefoni. Tali rilevatori, dotati di algoritmi avanzati sviluppati attraverso l’apprendimento automatico, potrebbero potenzialmente rilevare i primi segni di malattia molto prima dei tipici regimi di screening  e potrebbero anche rilevare la presenza di fumo o una fuga di gas.

Negli ultimi test, il team ha testato 50 campioni di urina prelevati da casi confermati di cancro alla prostata e di altre persone certamente libere dalla malattia, utilizzando sia cani addestrati e gestiti dal Medical Detection Dogs 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 che hanno ottenuto più del 70%. Il sistema di rilevamento miniaturizzato, dice Mershin, 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 commissionati dalla DARPA.

In termini di interpretazione di quelle molecole, però, “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 cogliere da un’analisi chimica. I cani non conoscono alcuna chimica“, dice Mershin. “Non vedono apparire un elenco di molecole 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“.

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Mentre l’apparato fisico per la rilevazione e l’analisi delle molecole nell’aria è in fase di sviluppo da diversi anni, con gran parte del focus 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 dimostrato prima è che possiamo addestrare un’intelligenza artificiale ad imitare i cani“, dice. “E ora abbiamo dimostrato che possiamo farcela. Abbiamo dimostrato che ciò che fa il cane può essere replicato, almeno in una certa misura“.




Questo risultato, 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 essere in grado di testare una serie molto più ampia di campioni, forse 5.000, per individuare in modo più dettagliato gli indicatori significativi della malattia. Ma tali test non sono economici: costa circa $ 1.000 ottenere un campione clinicamente testato e certificato di urina portatrice di malattie.




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 sulla base di test ospedalieri come essere libero da malattie.




Il paziente, che conosceva il test del cane, scelse di sottoporsi a ulteriori test e pochi mesi dopo si scoprì che aveva la malattia in una fase molto precoce. “Anche se si è trattato di un unico caso, devo ammettere che mi ha influenzato“, dice Mershin.