Perros enseñan a computadoras cómo detectar cáncer

Gracias a su sentido del olfato, los perros son expertos en identificar los aromas característicos de los cánceres en el aliento, la orina y las heces, de acuerdo con el medio The Scientist.

Con la escasez de cachorros entrenados para detectar el cáncer, es poco probable que los animales estén ampliamente disponibles para los diagnósticos de rutina.

En cambio, Andreas Mershin quiere que el "mejor amigo del hombre" le enseñe algoritmos de aprendizaje automático para detectar enfermedades, y planea poner esta tecnología en su bolsillo.

Mershin, un científico investigador del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), dice que su objetivo final es desarrollar la capacidad de nariz electrónica en los teléfonos inteligentes.

La detección de una señal de cáncer por narices electrónicas no es un concepto nuevo, pero los que se han desarrollado hasta ahora aún no pueden igualar la precisión de los perros, dice Mershin en el medio.

Para acercarse a esa capacidad, Mershin y su equipo interdisciplinario establecen un método de prueba de concepto para la integración del olfato canino con el análisis de olor de máquina del cáncer de próstata en un estudio publicado el 17 de febrero.

El cáncer de próstata es el segundo cáncer más común en los hombres y afecta a uno de cada nueve hombres en algún momento de sus vidas. Una herramienta ampliamente utilizada para la detección de enfermedades es la prueba del antígeno prostático específico, pero la prueba a menudo no detecta la enfermedad o conduce a diagnósticos incorrectos.

En la búsqueda de mejores opciones de diagnóstico, los investigadores han buscado biomarcadores olfativos del cáncer de próstata en el ramo químico de las muestras de orina. Un equipo pudo detectar el cáncer de próstata analizando los olores de la orina con una precisión del 86 por ciento. La idea de usar perros para detectar cánceres se propuso por primera vez para los melanomas en 1989, y, desde entonces, las habilidades de detección de cáncer de los caninos a menudo han eclipsado el análisis de olores basado en máquinas: en un estudio de 2015, los cachorros que detectan enfermedades detectaron cáncer de próstata a partir de muestras de orina con una precisión del 98 al 99 por ciento.

Mershin le comentó a The Scientist que le sorprendió no solo la destreza para olfatear enfermedades de los perros, sino el hecho de que algunos cachorros, entrenados para detectar un cierto tipo de cáncer, pueden detectar otras neoplasias malignas, a pesar de la baja similitud en los olores entre varios cánceres.

Algunas mascotas no adiestradas incluso han detectado cáncer en sus dueños. "(Los perros) no se guían por la lista de moléculas. . . . Se basan en el carácter aromático, lo que significa que de alguna manera descubren la esencia del cáncer ", dice Mershin. "Eso me voló la cabeza. Ninguna herramienta analítica hasta el día de hoy puede hacer esto porque está mirando la lista de ingredientes. Saber de qué está hecho algo no es lo mismo que saber a qué huele ".

Inspirados por los caninos, Mershin y sus colegas buscaron desarrollar inteligencia artificial que emulara las decisiones de los perros. "La pregunta específica que tratamos de responder (en el estudio) es, ¿cuáles son los obstáculos y desafíos para tomar la nariz del perro y su funcionalidad y conectarla a su teléfono inteligente?", expone Mershin, quien dirige el Grupo de Investigación Libre de Etiquetas del MIT, llamado así por su ignorancia de las fronteras entre disciplinas científicas.

Para su estudio, los investigadores obtuvieron orina de 12 hombres con cáncer de próstata de alto grado confirmado por biopsia y de 38 hombres que tenían biopsias negativas. Parte de las muestras de orina se enviaron a Medical Detection Dogs en el Reino Unido para que las diagnosticaran Florin, una mujer labrador de cuatro años, y Midas, una mujer Vizsla Wirehaired de siete años. Después de entrenar a los animales con 5 muestras cancerosas y 15 no cancerosas, los investigadores utilizaron las muestras restantes para probar las habilidades de Midas y Florin. En cada prueba, el perro examinó un carrusel que contenía tres muestras negativas para el cáncer y una muestra positiva para el cáncer. Después de oler cada recipiente de orina, el perro hizo una selección: Florin indicó una muestra positiva al ponerse de pie y mirar fijamente, mientras que Midas se sentó frente a su elección. Una elección correcta le valió al cachorro un premio bien merecido.

Ambos perros identificaron con precisión cinco de las siete muestras de cáncer de próstata. De 21 muestras negativas al cáncer, Florin tomó la decisión correcta 16 veces y Midas 14 veces. En general, los perros mostraron una sensibilidad del 71 por ciento y una especificidad del 70 al 76 por ciento. Mershin dice que la razón principal de la precisión moderada de Midas y Florin fue porque recibieron una capacitación limitada, debido a la cantidad limitada de muestras de orina disponibles. Con un número tan reducido de muestras de prueba, Santiago Marco, físico que estudia el análisis de datos de sensores en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña y en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Barcelona, ​​no está convencido de que las elecciones de los perros se hayan basado en detección de cáncer. "No está claro que tengan un apoyo muy fuerte para la afirmación de que el olfato canino es lo suficientemente sensible o incluso específico", expone Marco, que no participó en el estudio.

Mershin dice que con entrenamiento adicional, las habilidades de los animales habrían mejorado. "No estábamos tratando de hacer que estos perros llegaran al 99 por ciento, lo cual podemos. Muchos perros han sido entrenados con un 99 e incluso un 99,8 por ciento de precisión con COVID, malaria, Parkinson y varios cánceres ". Dado el objetivo del estudio de identificar la viabilidad del enfoque de aprendizaje automático del grupo, Mershin dice que el nivel de precisión del perro fue adecuado.

Los investigadores recolectaron los compuestos volátiles que componen el aroma de cada una de las muestras de orina y analizaron estos productos químicos mediante cromatografía de gases y espectrometría de masas (GC-MS). Descubrieron que las cantidades de varios compuestos volátiles estaban elevadas o reducidas en las muestras de cáncer, pero las sustancias químicas distintivas eran diferentes de las identificadas por otros estudios. Mershin dice que esta aparente falta de biomarcadores consistentes para el cáncer de próstata resalta el problema de los diagnósticos de enfermedades basados ​​en compuestos o conjuntos de compuestos particulares. En lugar de basar sus decisiones en sustancias químicas específicas, los perros identifican algo que es "canceroso" en una muestra, dice.

Como primer paso hacia el desarrollo de narices electrónicas con una capacidad similar, el equipo utilizó los diagnósticos de los perros para entrenar un tipo de inteligencia artificial llamada red neuronal artificial (ANN) para evaluar las sustancias químicas volátiles detectadas en la orina por GC-MS. La ANN detectó muestras de cáncer con alta precisión, dice Stephen Thaler, presidente y director ejecutivo de Imagination Engines y coautor del estudio. Pero debido al pequeño tamaño de la muestra, los investigadores dicen que sus resultados deben validarse con un experimento más grande.

"Es realmente interdisciplinario lo que están haciendo y eso es genial", dice Marc Aubreville, profesor de comprensión de imágenes y aplicación médica de la inteligencia artificial en la Universidad Técnica en Ingolstadt en Alemania, que no contribuyó al estudio. "Creo que el método es sólido en lo que hicieron, pero realmente me hubiera encantado ver más muestras y una mejor prueba de que esto realmente funciona con el aprendizaje automático".

Mershin dice que el objetivo final del equipo es aplicar su algoritmo de máquina de entrenamiento canino a una nariz electrónica que contiene análogos sintéticos de receptores olfativos animales que han patentado. Pero antes de que esta herramienta esté lista para los teléfonos inteligentes, necesitan usar muchas más muestras para aumentar la precisión de detección de cáncer de los perros y luego entrenar a la ANN para que coincida con este rendimiento.