Исследователи избавили себя от необходимости предполагать, как обнаружить инфекцию, обучив собак распознавать запах биомаркеров бактериальных биопленок.
Каждый, кто брал свою любимую собаку на прогулку, знает, что острая потребность собаки в мечении территории обусловлена ее мощным обонянием. Исследователи нашли способ использовать эту суперспособность для обнаружения летучих органических соединений (ЛОС) - побочных продуктов метаболизма, производимых организмами, от самых могучих зверей до мельчайших микробов. Эта способность делает собак идеальными помощниками в медицинских экспериментах по обнаружению запахов.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Allergy, ученые задействовали специальную группу мохнатых питомцев, в обязанности которых входило выявление упорных инфекций, вызванных Staphylococcus aureus. «Исследование было вызвано слабой диагностической способностью выявлять бактериальные биопленки, особенно при инфекциях суставов», - рассказала Меган Рамос, медицинский директор Центра служебных собак Penn Vet при Школе ветеринарной медицины Пенсильванского университета и соавтор данного исследования. Исследовательская группа привлекла к работе своих собак, обучив их обнаруживать характерные биомаркеры ЛОС биопленок S. aureus in vitro, в надежде найти новый способ выявления инфекций, которые развиваются на ортопедических имплантатах после операций.
В исследовании участвовали восемь собак разных пород, четыре из которых были набраны из Центра служебного собаководства Penn Vet, а четыре - из программы, в которой участвуют собаки, занимающиеся кинологической практикой в области обнаружения запахов. Собак набирали по их личностным качествам и способности фокусироваться на задаче, а не по породным характеристикам.
Квалификационные требования к служебным собакам включали в себя высокий драйв, высокую энергию и постоянную потребность в стимулировании умственной деятельности. Квалификация собаки для обнаружения медицинских запахов еще более строгая, она требует критического мышления, острой концентрации на задаче и психической устойчивости. Если сигнатура ЛОС представляет собой тушенку, собаки должны определить и отличить каждый отдельный ингредиент. «Мы хотим, чтобы они критически оценивали профиль запаха, который мы просим их найти. Они должны быть мотивированы на работу, чтобы получить лакомство или игрушку, и при этом не падать духом», - поясняет Рамос.
В этом исследовании собак сначала научили распознавать летучие органические соединения S. aureus в ватных шариках с запахом, абсорбированным из биопленок культур, и оповещать исследователей с помощью обученной реакции - например, сесть или лечь. "Мы показываем собакам этот ватный шарик и говорим: «Вот что вы чувствуете, вот запах, который мы хотим, чтобы вы нашли». Все начинается просто: понюхаешь это - получишь печенье или игрушку. Это простой процесс, когда они понимают, что теперь это то, что они ищут", - описывает Рамос. Исследователи давали собакам смесь запахов и учили их, какой из них правильный.
После того как собаки были обучены этим запахам летучих органических соединений их супернюх был протестирован на слезной жидкости кроликов с инфекциями суставов и без них. Сначала исследователи научили собак определять, как пахнет здоровая слезная жидкость, а затем познакомили их с образцами от инфицированных кроликов. Собаки с высокой степенью чувствительности и специфичности определяли уникальный бактериальный запах в биологических образцах кроликов даже на ранних стадиях инфекции. Исследователи уже протестировали этот подход на жидкости слезного канала небольшого количества людей с подтвержденной инфекцией. Предварительные результаты оказались многообещающими, но необходимо провести дополнительные испытания.
«Мы действительно находимся в захватывающем моменте. Собаки меняют наше восприятие заболеваний. Мы также меняем представление людей о том, что такое биомаркеры, добавляя к ним эти летучие органические соединения», - говорит Рамос. «Когда мы начинали, никто не думал о летучих органических соединениях, но теперь мы расширили возможности постановки диагноза и разработки технологии, которая поможет спасти жизни, будь то человеческие или животных».
Более широкая цель этой работы - использовать чуткие собачьи носы для разработки прикроватного или лабораторного теста для скрининга и диагностики бактериальных биопленок, обеспечивая будущий способ неинвазивного тестирования, раннего обнаружения и целенаправленного лечения. «Собаки изучают наш материал, чтобы мы могли сканировать огромное количество заболеваний, а не только бактериальные биопленки. Мы используем собак как инструмент для расширения наших знаний и понимания», - отмечает Рамос.
Друпад Триведи, исследователь в области биомедицины и преподаватель аналитических и измерительных наук в Манчестерском университете, который не принимал участия в этом исследовании, считает, что эта работа устраняет ключевые узкие места в обучении и использовании кинологических методов обнаружения медицинских запахов. «Обобщение результатов обучения часто бывает затруднено, если образец сложный, как в данном случае. Натренировав собак на биопленках in vitro, а затем протестировав их на образцах от кроликов и людей, авторы показали, что запахи ЛОС в случае инфекции S. aureus не маскируются и не изменяются под воздействием матрицы», - говорит Триведи.
Пока что химические вещества, составляющие ЛОС S. aureus, остаются загадкой. «Точный профиль запаха сейчас существует только в носу и мозге наших собак. Хотелось бы, чтобы они сказали мне, что это за вещества», - делится Рамос.
