Kaj lahko o našem zdravju pove (iz)dih

Smo v dobi podatkov, velike količine podatkov. Brez strojnega učenja in umetne inteligence jih ne moremo obdelati in iz njih potegniti ugotovitve, ki lahko ključno pripomorejo k boljšemu jutri. Strojno učenje je skupna točka najrazličnejših raziskav v projektu Smash, ki ga skupaj s partnerji vodi Univerza v Novi Gorici. Z doc. dr. Iainom Robertom Whitom smo govorili o raziskavah neinvazivne diagnostike s pomočjo izdihanega zraka.

V okviru podoktorskih projektov Smash bodo odpirali raziskave s področja podatkovne znanosti, temeljne fizike – od osnovnih delcev, astrofizike do kozmologije, podnebnih sprememb, lingvistike oziroma komunikacije med ljudmi ali živalmi pa do razvoja tehnologij in rešitev za medicino nove generacije. Univerza v Novi Gorici deset milijonov evrov vredni projekt vodi skupaj z Univerzo v Ljubljani, Institutom Jožef Stefan, Agencijo Republike Slovenije za okolje in Institutom informacijskih znanosti Maribor (Izum), v projektu sodelujejo še številne tuje univerze in instituti. Glavni cilj projekta je pritegniti k raziskavam 50 podoktorskih raziskovalk in raziskovalcev z vsega sveta. Prvi mednarodni razpis za prijave je bil odprt že spomladi, trenutno je odprt drugi razpis.

Posamezniku prilagojena medicina

Personalizirana, osebna, precizna: s temi pridevniki opisujejo medicino prihodnosti, ki bo temeljila na medicini, prilagojeni posamezniku. »To je zagotovo naslednji korak v izdelovanju zdravil, terapevtikov, zdravstvene oskrbe, vse to želimo optimizirati za posameznika. Strojno učenje je pri tem izjemno uporabno,« poudarja dr. Iain Robert White, vodja Laboratorija za vede o okolju in življenju Univerze v Novi Gorici.

V raziskavi želijo ugotavljati tudi, kako onesnažen zrak vpliva na naše telo, pravi dr. Iain White. FOTO: Saša Senica  

V projektu Smash bodo na tem področju med drugim raziskovali zgodnje odkrivanje in spremljanje bolezni, vključno s parkinsonovo in glioblastomom. Raziskavo bodo vodili na ljubljanski fakulteti za računalništvo in informatiko (FRI), kjer razvijajo sisteme za podporo kliničnemu odločanju, tako za zgodnje odkrivanje kognitivnih motenj kot za posamezne bolnike s parkinsonovo boleznijo, ki jih opozarjajo na spremembe bolezni.

V novogoriškem laboratoriju pa se bodo posvečali biomarkerjem, ki jih najdemo v krvi, tkivu ali izdihanem zraku. Ti lahko marsikaj povedo o našem stanju telesa. »Biomarkerji so povezani s procesi v našem telesu, boleznimi in različnimi stanji, odkrivanje teh spojin pa lahko uporabimo za diagnosticiranje ali oceno stanja vašega telesa. V raziskavi bomo poskušali najti biomarkerje, ki kažejo na različne bolezni, še posebej pa me zanima, kako kakovost zraka vpliva na naše telo,« pojasnjuje dr. White.

Družba bo morala odločiti, kako primeren je tehnološki nadzor možganov

Preučevanje izdihanega zraka

Dr. White se bo z ekipo posvečal raziskavam izdihanega zraka in metodo primerjal z analizami krvi, ki so že uveljavljene metode za ugotavljanje prisotnosti bolezni oziroma tega, v kakšni kondiciji je naše telo. »V našem projektu bomo v dihu skušali najti vse, kar lahko, in se ne bomo osredotočali na posamezen biomarker. V izdihanem zraku je namreč zelo veliko različnih spojin, govorimo lahko o stotinah različnih, so pa nekatere v izjemno nizkih koncentracijah, kar je še posebej težko zaznati. Prav zato, ker bomo skušali popisati vse, kar najdemo, to pomeni, da imamo in bomo še pridobili ogromno podatkov. To je seveda odlično, saj lahko le tako natančno razberemo, katere spojine so povezane s katero boleznijo. Razumljivo pa je, da tako velike količine podatkov ne moremo obdelati brez uporabe strojnega učenja,« razlaga raziskovalec in dodaja: »Zdaj smo v dobi izjemne tehnologije, ki nam omogoča zbiranje enormne količine podatkov, tu pa nato naletimo na ozko grlo. Vse to moramo analizirati, da pridemo do ustreznih ugotovitev.« V projektu Smash bodo raziskovalci imeli dostop tudi do slovenskega superračunalnika Vega.

»Pogosto je lažje, če se osredotočimo le na enega ali dva biomarkerja, da natanko vemo, kaj iščemo. Tako lahko razvijemo metodo in jo optimiziramo, povsem drugače pa je, če merimo vse. Tako pravzaprav niti nismo natančno vedeli, kaj vse bomo zaznali. Nekateri primeri so bili precej predvidljivi, denimo metaboliti etanola po zaužitju alkohola, in metaboliti, ki jih osebe s sladkorno boleznijo izdihajo pred začetkom zdravljenja. Nekako tipično je, da ima izdihan zrak ljudi z diabetesom vonj po mandljih. Zanimivi so tudi primeri, ko lahko v izdihu še vedno zaznamo, ali je nekdo kadil, pa čeprav je morda že lep čas, odkar je prenehal, enako tudi, ali je šlo, denimo, za pasivno kajenje,« našteva vodja laboratorija.

Izdih lahko pove tudi, kaj ste jedli tisti dan in ali imate kakšno nevarno bolezen. »V izdihanem zraku lahko zaznamo astmo, zelo nas zanima, ali lahko razberemo različne tipe astme, zaznamo lahko raka – pljučnega, pa raka na jajčnikih ali pljučno fibrozo … Pri diagnosticiranju teh bolezni si zelo veliko obetamo od raziskav izdihanega zraka, seveda pa potrebujemo pomoč strojnega učenja, da vse ustrezno analiziramo.«

Raziskava v novogoriškem laboratoriju že teče, s partnerji so že zbrali veliko podatkov, v nadaljevanju jih bodo pridobili še več. »Naša metoda bi bila primerljiva s testiranjem krvi. Pri analizi iščemo tako imenovane metabolite ali presnovke, natančneje celične metabolite. S tem področjem se ukvarja metabolomika, to je znanstvena študija kemijskih procesov, ki vključujejo metabolite, substrate majhnih molekul, intermediate in produkte celičnega metabolizma. To je fascinantno področje, kajti ne le da pridobimo podatke o metabolitih, ampak tudi spremljamo, kako se s časom spreminjajo koncentracije ali kako se spreminjajo metaboliti. Zanimivo je, da ko zbolimo, se metaboliti spreminjajo na različnih ravneh, verjetno se spremenijo celotni vzorci. V celicah vseskozi potekajo reakcije, pri čemer se sproščajo različne spojine, ki preidejo v kri. Te lahko merimo in nato po analizi povežemo z določenimi boleznimi. V raziskavi bi zdaj radi našli primerjave med metaboliti v krvi in v izdihanem zraku, jasno je, da lahko metaboliti prehajajo tudi skozi krvno-zračno pregrado,« razlaga dr. White. »Pri tem pa naj poudarim še veliko prednost analize izdiha: gre za neinvazivno metodo. Dih lahko s posebno napravo enostavno zajamemo, ne da bi bilo treba odvzeti krvi. Bodimo pošteni, odvzema krvi v resnici nihče ne mara, večine sicer ne moti, nekateri pa to res sovražijo (nasmeh).«

V raziskavi odkrivanja biomarkerjev v okviru projekta Smash po besedah dr. Whita za zdaj opravljajo predvsem bazične preiskave, vsekakor pa si želijo razviti tehnologijo, ki bi jo uporabljali v bolnišnicah, da bi lahko sproti sledili biomarkerjem in njihovemu spreminjanju. »Potem bi lahko nadaljevali s tehnologijo, ki bi prepoznavala natančno določene biomarkerje. Predstavljam si napravo, podobno kakšni iz futuristične serije Zvezdne steze, ki bi takoj, ko bi pihnili vanjo, pokazala, ali je določen biomarker prisoten ali ne.«

Metoda analize izdihanega zraka bi lahko bila primerljiva s testiranjem krvi. FOTO: Saša Senica

Izdihan zrak v bolnišnicah ni rutinirano opazovan. »Za zdaj je monitoring izdiha prilagojen le za zelo specifične stvari, sicer pa je kliničnih aplikacij še zelo malo, eden izmed vzrokov so zagotovo izjemno nizke koncentracije biomarkerjev, za kar tehnologija še ni razvita. Tudi pri nas je vzorčenje zraka precejšen izziv, izdihan zrak smo zbirali v jeklene tubice, ki jih nato zelo segrejemo, da se snovi v vzorcu skoncentrirajo in se vse spojine sprostijo in jih lahko zaznamo. Najprej smo morali izdelati raziskovalno metodo, hkrati razvijamo protokole, ki bi bili uporabni v kliniki. Vsekakor pa mora biti tehnologija uporabnikom prijazna, ob bolnišničnih posteljah si ne želimo velikih, grdih, nerodnih in glasnih naprav.«

Kako s strojnim učenjem izboljšati raziskave

Vpliv onesnaženega zraka

V raziskavi želijo ugotavljati tudi, kako onesnažen zrak vpliva na naše telo. Onesnaženemu zraku, tako v notranjosti kot zunaj, pripisujejo okoli sedem milijonov prezgodnjih smrti na leto. »Zanimivo in pomembno bo izvedeti, koliko onesnaževal ste vdihnili in izdihnili, denimo, med prevozom do univerze, saj ste na poti lahko izpostavljeni različnim tipom onesnaženja. Slaba kakovost zraka je povezana z marsikatero respiratorno boleznijo.«

V tem sklopu raziskav bodo sodelovali tudi s prof. dr. Grišo Močnikom, raziskovalcem na področju kakovosti zraka, aerosolov in njihovega vpliva na podnebne spremembe, vodjem Centra za raziskave atmosfere pri UNG. »Posamezni centri na univerzi med seboj zelo veliko sodelujejo in se povezujejo. Prof. Močnik med drugim ugotavlja, od kod izvira onesnaženje zraka, tudi mi analiziramo posamezne kemikalije v onesnaževalih. Vse te podatke lahko povežemo in nas lahko privedejo še do dodatnih ugotovitev,« pravi dr. White. »V projektih Smash zelo spodbujamo mreženje med raziskovalci v vseh sodelujočih institucijah, da bodo lahko postdoktorski raziskovalci odnesli in prispevali čim več. To se mi zdi še posebej dobra stran projekta.«

Idejo za raziskave biomarkerjev je dr. White dobil, še preden se je leta 2019 iz Velike Britanije preselil v Slovenijo in se zaposlil na novogoriški univerzi. »Delo v Laboratoriju za vede o okolju in življenju je bilo izjemna priložnost, saj sem v raziskavah sledil omenjenim vedam. To so zelo indisciplinarne raziskave in tak je tudi laboratorij. Kot atmosferski znanstvenik sem preučeval kakovost zraka v povezavi s podnebnimi spremembami. Oprema, s katero merimo onesnaževala v zraku, mora delovati hitro, ker je to dinamičen proces, hkrati pa mora zaznavati nizke koncentracije snovi, oba kriterija sta ključna tudi pri analiziranju izdihanega zraka. Tako sem se znašel na področju metabolomike.«

S tega področja potekajo tudi nekatere druge raziskave v laboratoriju, še pojasnjuje dr. White. »Raziskujemo snovi, ki so povezane z raki. Osredotočamo se na rake, ki jih povzročajo virusi. Pri tem se generira tudi zelo veliko genskih podatkov, pri čemer za analizo znova uporabljamo strojno učenje. Razvijamo tudi biosenzorje in biološke reagente. Pri zadnji pandemiji smo spoznali, kako pomembno je hitro diagnosticiranje. To je še en odličen primer, kjer bi lahko podoktorska štipendija Smash pomagala pospešiti raziskave.«

Dr. White še poudari, da za projekt Smash iščejo raziskovalke in raziskovalce z najrazličnejšim znanjem. »Želimo si pridobiti kar se da bistre ljudi, radi bi, da se prijavijo tudi ženske, še vedno nekako velja, da je strojno učenje v moški domeni, in to bi radi spremenili. Bonus pri projektu je tudi bivanje v tako lepi deželi, kot je Slovenija. Sam sem iz tujine in vidim veliko prednosti Slovenije, narava je čudovita, dežela je varna, imate pa tudi zelo okusno hrano (smeh).«