Научная группа, в которую вошли сотрудники Томского, Саратовского, Московского государственных университетов и Университета Олбани (США), в рамках мегагранта приступила к разработке трёх новых подходов к неинвазивной диагностике вирусных и бактериальных инфекций. Главными инструментами в новых технологиях выступят современные методы оптической спектроскопии и машинного обучения. Инновационные подходы позволят уменьшить время, необходимое на выявление патогенов, с нескольких дней до нескольких минут.

Исследуемыми объектами в новых методах диагностики будут выступать выдыхаемый воздух, биологические жидкости, в частности слюна, и биологические ткани (эпителиальный слой ротовой полости), – поясняет один из исполнителей проекта, руководитель лаборатории биофотоники ТГУ, исполнительный директор Института биомедицины ТГУ Юрий Кистенёв. – В каждом случае при внедрении в организм патогенов в клетках биотканей и газовых и жидких пробах биологического происхождения происходят изменения молекулярного состава. Наша задача – выявить эти молекулярные биомаркеры для разных вирусов и бактерий и с помощью методов искусственного интеллекта научить компьютерные модели «узнавать» возбудителя болезни «в лицо».

Как отмечают разработчики, слюна и слизистая поверхность ротовой полости в качестве объектов исследования выбраны не случайно. В большинстве случаев, например, при заражении гриппом, ротовирусами, Covid-19 и многими другими инфекциями, именно эпителий рта и носа подвергается воздействию в первую очередь. И увидеть их реакцию на возбудителя потенциально возможно уже на начальном этапе заболевания, когда антитела в крови пациента ещё отсутствуют.

Чтобы считывать нужную информацию, будут использованы такие методы, как терагерцовая и инфракрасная спектроскопия комбинационного рассеяния и абсорбционная спектроскопия. Эти методы позволяют получать большое количество информации об объекте, в том числе о его химическом составе.

Разрабатывать новые диагностические подходы мы будем вместе с признанными специалистами в области биофотоники, – говорит Юрий Кистенёв. – В команду проекта входят ведущий сотрудник Университета Олбани Игорь Леднёв (руководитель проекта), директор Института проблем лазерных и информационных технологий РАН Александр Шкуринов, научный руководитель лаборатории биофотоники ТГУ и ученый СГУ Валерий Тучин, имеющий большой опыт в изучении оптических свойств биотканей.

В поиске биомаркеров, указывающих на наличие того или иного патогена, и разметке библиотеки для машинного обучения наряду с учёными будут участвовать врачи-клиницисты. После того как база паттернов будет собрана, компьютерную модель с помощью метода распознавания образов (Pattern recognition) научат различать патологию и норму, а также верифицировать возбудителя при его наличии. В качестве тестовых моделей учёные будут использовать возбудителей сезонных ОРВИ, например, ротовирусы и вирус гриппа.

Новые диагностические подходы не требуют длительной пробоподготовки, благодаря этому на анализ будет уходить несколько минут, в то время как сейчас лабораторные исследования занимают несколько дней.

Добавим, что ранее участники данной научной группы создали диагностическую технологию, которая позволяет с высокой точностью на основе спектрального анализа выдыхаемого воздуха различать пациентов, страдающих от бронхолегочных заболеваний (в том числе рака легких), и здоровых людей. Созданный научный задел будет использован в новом проекте. Планируется, что работы по нему будут завершены в конце 2023 года.