疾病早筛新方法！MIT团队研发出可筛查癌症的气味探测AI系统

导语：向狗狗学习。

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众所周知，狗狗嗅觉灵敏，通常一只狗大约有2.2亿个嗅觉感受器，而人类只有500万个。而几个世纪以来，人类利用这种精妙的嗅觉来打猎、搜索和探测毒品和爆炸物以及疾病，应用非常广泛。

为此，科学家一直在寻找能够复制犬类表现出的惊人嗅觉能力的方法。近日，麻省理工学院研究团队发表一项最新研究，根据模仿经过训练的医疗犬拥有探测癌症的嗅觉，提出一种AI气味检测系统作为癌症早筛工具，该系统可以自动检测出空气样品中的化学成分和微生物含量。研究成果以论文形式在线发表在PLOS One期刊上。

Feasibility of integrating canine olfaction with chemical and microbial profiling of urine to detect lethal prostate cancer.PLOS ONE.DOI:10.1371/journal.pone.0245530

本项研究的通讯作者，麻省理工学院的研究科学家Andreas Mershin表示，这些狗可以识别出“毫无气味的没有共同的生物分子特征的癌症”。使用人类最强大的分析工具，包括气相色谱质谱法（GCMS）和微生物谱分析，都无法发现分析皮肤癌，膀胱癌，乳腺癌和肺癌的样本中的共同点。然而，狗可以某种方式从一种癌症中泛化，从而能够识别其他癌症。

在最新的测试中，研究小组使用英国医疗检测犬训练和处理过的狗以及小型化检测系统，从确诊的前列腺癌和已知无这种疾病的对照中检测了50个尿液样本。然后，他们应用了机器学习程序来找出样本之间的任何异同，以帮助基于传感器的系统识别疾病。在测试相同样品时，人工系统能够匹配狗的成功率，两种方法的检测率均超过70％。

研究人员说，这项成就为进一步研究将该技术发展到适合临床使用的水平提供了坚实的框架。Mershin希望能够测试更多的样本集，以更详细地确定疾病的重要指标。

在过去几年中，Mershin及其团队开发并继续改进了一种小型检测器系统。该系统结合了稳定用作传感器的哺乳动物嗅觉受体，其数据流可以通过典型智能手机的功能进行实时处理。他的设想是有一天，每部手机都将内置一个气味探测器，就像现在手机中无处不在的摄像头一样。他说，这种检测器配备了通过机器学习开发的先进算法，可以比常规的筛查方案更快地发现疾病的早期征兆，甚至还可以发出烟雾或煤气泄漏的警告。

立体嗅觉帮助诊断疾病

狗狗每分钟的短促呼吸吸气高达300次，这意味着它们的嗅觉细胞会不断地被新的气味颗粒所激发，且它们的鼻子还能区分左右。以至于它们能注意到疾病引起的人类气味、激素或病变细胞释放的挥发性有机化合物的最细微变化。

大量研究表明，训练有素的狗可以仅通过气味就能检测出多种疾病，包括肺癌，乳腺癌、卵巢癌、膀胱癌和前列腺癌，甚至是新冠病毒。在某些情况下，例如涉及前列腺癌，这些狗通过嗅探患者的尿液样本检测出该疾病的成功率为99％。

早在2006年的一项研究中，有五只狗接受了训练，可以根据呼吸样本检测癌症。一旦经过训练，这些狗检测乳腺癌准确率达到88%，肺癌检测准确率高达99%。

Diagnostic Accuracy of Canine Scent Detection in Early- and Late-Stage Lung and Breast Cancers.https://doi.org/10.1177/1534735405285096

不仅如此，近期的一项研究发表在Experimental Biology的研究也证实了狗可以利用它们高度进化的嗅觉来挑选癌症患者的血液样本，准确率几乎达到97%。有关狗狗检测筛选癌症的研究很多，这些研究可能会带来新的癌症筛查方法，这种方法既便宜又准确，且没有侵入性。鉴于国际早期肺癌行动计划数据显示，LDCT （低剂量CT）年度筛查能发现85%的早期周围型肺癌，术后10年预期生存率达92%。癌症早筛提供了生存的最大希望。

提前发现疾病预警信号

狗狗通过高度灵敏的嗅觉不仅能够检测出已患有疾病的人群，而且可以检测出人体即将发生疾病的预警信号。例如，狗可以检测出病人是否即将进入癫痫发作或有嗜睡。

2013年发表的一项研究发现，两只训练有素的狗利用汗液样本检测出12名嗜睡症患者中的11名，证明狗可以检测出这种疾病的独特气味。这些狗能察觉到身体中导致发作的生化变化，并帮助完成不同的任务以避免伤害。但最重要的是，它们可以在发病前5分钟提出警告，使患者有机会自救或他救。

1号狗狗检测曲线。Narcolepsy and odor: preliminary report.

DOI: 10.1016/j.semerg.2013.06.002

2号狗狗检测曲线。Narcolepsy and odor: preliminary report.

DOI: 10.1016/j.semerg.2013.06.002

狗狗预判癫痫发作的能力在准确程度上尚存在较大争议。2019年的发表在Nature 子刊scientific reports的一项小规模研究发现，狗能够清晰地分辨出一般的癫痫 "发作气味"。但研究人员此前曾报道，7只癫痫警报犬中，有4只原来是在警告主人心理上的，而不是癫痫发作。

Dogs demonstrate the existence of an epileptic seizure odour in humans. DOI: 10.1038/s41598-019-40721-4

到目前为止，越来越多的狗狗也在帮助糖尿病患者。他们可以检测到异戊二烯，是一种在人类呼吸中存在的常见的天然化学物质，在低血糖发作期间该物质显著提高。与糖尿病警戒犬能闻到驯养者有低血糖时的气味类似，偏头痛警戒犬也能敏锐地嗅到血清素的气味，当人体即将发生偏头痛时，血清素会急剧上升。

此前，匹兹堡大学的Amrita Bhowmick教授通过Migraine.com等网站招募了养狗的偏头痛患者。参与者完成了有关其狗表现出偏头痛改变程度的简短在线调查表。1027名参与者中的54％表示他们在偏头痛过程中或之前曾注意到宠物的行为发生变化。其中近60％的受试者表示，通常偏头痛发作一两个小时前，他们的狗曾提醒他们。尽管存在局限性，但是为科学家解决预防偏头痛措施提供了一个方向。而对于那些患有偏头痛的人来说，在偏头痛发作前发出警告，可以提前作出措施避免头痛。

偏头痛与狗狗行为.https://www.psychologytoday.com

搜寻COVID-19踪迹

狗检测疾病的最新案例是引起了全球COVID-19大流行的冠状病毒。

在赫尔辛基大学的一项试验研究中，教狗识别以前未知的新型冠状病毒引起的COVID-19疾病的气味特征。而在短短几周内，第一批狗就能准确区分COVID-19患者的尿液样本和健康人的尿液样本，几乎和标准PCR测试一样可靠。去年7月，发表在BMC Infect Dis的研究，这些狗能够区分感染（阳性）和未感染（阴性）个体的样品，平均诊断灵敏度为82.63％（95％置信区间[CI]：82.02–83.24％），特异性为96.35％（95％） CI：96.31–96.39％）。在提供1012个随机样本的过程中，这些狗的总体平均检出率达到94％（±3.4％），与此同时，法国、美国、德国和英国的研究机构也在研究此事。

Scent dog identification of samples from COVID-19 patients - a pilot study.DOI: 10.1186/s12879-020-05281-3

圣地亚哥智利机场，分配COVID-19检测犬。来源：voi.id

目前还不清楚尿液中哪些物质会产生明显的COVID-19气味。由于SARS-CoV-2不仅会攻击肺部，还会对血管、肾脏等器官造成损害，因此推测患者的尿液气味也会发生变化。研究人员对这种情况寄予厚望，因为像COVID-19这样的呼吸道疾病会改变我们的体味，所以狗有很大的机会能够检测出来。

狗作为一种新的诊断工具，可能会在短期内彻底改变我们对COVID-19的反应，但特别是在未来几个月内，可能会影响到疾病管理，特别是在高风险事件中。

狗狗将能够以快速、有效和非侵入性的方式筛查任何人，包括那些没有症状的人。除了检测和疫苗研究，狗的高度灵敏的鼻子可能会成为应对全球流行病的前线。

目前尚未运用临床

虽然一项又一项的研究表明，狗可以检测疾病，但要在实验室中持续使用狗来取代标准检测，可能还需要一段时间。一些独立研究者表示，大多还不知道狗到底检测到了什么化学化合物来提醒疾病的存在，这对于更好地训练疾病嗅探犬和制造能够更准确地检测早期癌症的机器来说，都还是一个障碍。

更精确地了解狗的注意到的东西将使它们的训练标准化，但即使如此，医学界的怀疑论可能会占上风。并非所有的医生都愿意依靠狗来做出诊断。进一步的研究可能有助于说服不情愿的医生将它们作为初步筛选过程的一部分。

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