Ученые создали тест, определяющий респираторные вирусы за пять минут
Ученые разработали первый в мире диагностический тест, использующий искусственный интеллект, который может идентифицировать известные респираторные вирусы в течение пяти минут по одному мазку из носа или горла. Новый тест может заменить существующие методы, которые ограничены тестированием на одну инфекцию (например, экспресс-тест на COVID-19) либо являются лабораторными и длительными, либо быстрыми, но менее точными.
Новая методология обнаружения и идентификации вирусов описана в статье, опубликованной в ACS Nano. Авторами являются аспирант факультета физики Николас Шиаелис и его научные руководители профессор Ахиллефс Капанидис с факультета физики, а также доктор Николь Робб из Уорикского университета, приглашенный лектор Оксфорда.
Исследование демонстрирует, как машинное обучение может значительно повысить эффективность, точность и скорость не только идентификации разных типов вирусов, но и различения их штаммов.
Прорывная технология тестирования
Для валидации нового метода, использующего ПО на основе ИИ, ученые сотрудничали с госпиталем Джона Рэдклиффа. Технология сочетает молекулярное мечение, компьютерное зрение и машинное обучение, создавая универсальную диагностическую платформу для визуального анализа образца пациента. Она может определить, какой патоген присутствует, за секунды — подобно программному обеспечению для распознавания лиц, но для микробов.
Предварительные исследования показали, что тест может выявлять вирус COVID-19 в образцах пациентов. Дальнейшая работа определила, что его можно использовать для диагностики множественных респираторных инфекций.
Как работает метод
В исследовании ученые начали с мечения вирусов одноцепочечной ДНК в более чем 200 клинических образцах из госпиталя. Изображения меченых образцов были получены с помощью коммерческого флуоресцентного микроскопа и обработаны специальным ПО для машинного обучения. Это ПО обучено распознавать конкретные вирусы, анализируя их флуоресцентные метки, которые выглядят по-разному для каждого вируса из-за различий в размере, форме и химии поверхности.
Результаты показывают, что технология способна быстро идентифицировать различные типы и штаммы респираторных вирусов, включая грипп и COVID-19, в течение пяти минут и с точностью >97%.
Тестирование у постели больного
В 2021 году Николас Шиаелис и доктор Робб основали спин-офф Оксфордского университета — компанию Pictura Bio, которая теперь лицензирует эту технологию.
«Наша цель в Pictura Bio — превратить метод в диагностический тест, создав специальный анализатор и одноразовые картриджи для использования в местах оказания медицинской помощи с минимальным участием пользователя», — объясняет Николас Шиаелис. — «Мы также расширяем количество вирусов, на которых обучены модели, и в конечном итоге начнем изучать другие патогены, такие как бактерии и грибки, в респираторных образцах, крови и моче».
Быстро, экономично и точно
«Наш упрощенный метод диагностического тестирования быстрее, экономичнее, точнее и более адаптивен к будущему, чем любые другие существующие тесты. Если мы хотим обнаружить новый вирус, нам нужно лишь переобучить программное обеспечение для его распознавания, а не разрабатывать совершенно новый тест. Наши результаты демонстрируют потенциал этого метода для революции в вирусной диагностике», — говорит доктор Робб.
Николас Шиаелис заключает: «Неизбежно появление других вирусов, подобных COVID-19. Это подчеркивает необходимость в более совершенных технологиях диагностического тестирования, чтобы мы могли снизить влияние новых вирусов на общественное здоровье».