15 вересня, 2021
Мікроскопія у поєднанні зі штучним інтелектом дозволяє швидко, точно та економічно ефективно проводити тест на COVID-19
Вчені дослідницького Інституту Бекмана (США) об’єднали мікроскопію зі штучним інтелектом, щоб розробити швидкий, точний і економічно ефективний тест на COVID-19.
Багато хто з нас стикався із тестом на COVID-19. Як і сама пандемія, часті скринінги стали частиною повсякденного життя. Оскільки SARS-CoV-2 продовжує залишатися грізним противником, стратегії по виявленню і класифікації вірусу повинні бути гнучкими та швидкими.
На допомогу дослідникам з Інституту Бекмана прийшли професор електротехніки та обчислювальної техніки UIUC Gabriel Popescu і його міждисциплінарна команда. Їх дослідження «Виявлення та класифікація SARS-CoV-2 без маркування за допомогою фазової візуалізації з обчислювальною специфікою» було опубліковано у журналі «Light: Science and Applications-Nature».
Проєкт, започаткований у травні 2020 року і реалізований на тлі глобальної кризи, за часом йде паралельно з пандемією, яка і спонукала його реалізацію. Першим кроком дослідників було визначення можливості для інновацій – вони помітили, що хоча сьогодні існує багато методів тестування на SARS-CoV-2, жоден із них не використовує оптичний підхід без маркування.
Через мізерний розмір однієї частки вірусу покладатися тільки на зір практично неможливо, навіть при наявності мікроскопа. Електронна мікроскопія корисна для візуалізації структури частки, але для забезпечення видимості зразка потрібна ретельна підготовка. Хоча це необхідно, цей процес може спотворити зображення зразка.
Команда G. Popescu звернулася до методики, розробленої в Інституті Бекмана, яка зазвичай використовується для візуалізації клітин: просторова мікроскопія світлового зображення (SLIM), яка дозволяє отримувати зображення без хімічних барвників (або без міток).
На щастя, дослідники знайшли креативний спосіб ідентифікації вірусів на основі даних SLIM – штучний інтелект (ШІ). При правильному навчанні передова глибока нейронна мережа може бути запрограмована на розпізнавання навіть найбільш розмитих зображень.
Вчені «показують» програмі ШІ по парі зображень: забарвлену частку SARS-CoV-2, що дає флуоресценцію, і фазове зображення, отримане за допомогою мультимодального мікроскопа флуоресценції-SLIM. ШІ навчається розпізнавати ці зображення як ідентичні. Легко впізнаване зображення, забарвлене флуоресценцією, працює як «тренувальні колеса»; при достатній кількості повторень машина вчиться виявляти віруси безпосередньо по SLIM-зображенням без міток без додаткової підтримки.
Після виявлення настає диференціація: виділення SARS-CoV-2 з інших типів вірусів і частинок.
ШІ навчився розрізняти SARS-CoV-2 та інші вірусні патогени, такі як H1N1, або грип А; HAdV, або аденовірус; ZIKV, або вірус Зіка. Доклінічні випробування були досить успішними, що дозволило домогтися 96 % успіху у виявленні та класифікації SARS-CoV-2.
Метою проєкту є створення чутливої та специфічної системи виявлення вірусних патогенів за допомогою дихального тесту, яка допоможе у діагностиці вірусних захворювань і у стратегіях профілактики передачі. Сьогодні це може стати швидким високопродуктивним і недорогим тестом для виявлення COVID-19 із потенціалом портативності та застосування у пунктах надання медичної допомоги.
Дослідники припускають, що тест на COVID-19, проведений за допомогою цього методу, буде виглядати наступним чином: особа, якій проводять тест, надягає захисну маску, на яку кріпиться предметне скло – «слайд»; потім пацієнт виконує дію (наприклад, читає параграф вголос), при якій частки з видихуваним повітрям фіксуються на предметному склі. Будь-які частинки, прикріплені до слайда, будуть візуалізовані і проаналізовані для виявлення наявних вірусів.
«У такого тесту на COVID-19 є дві ключові переваги, – коментує аспірантка в області біоінженерії, стипендіатка Інституту Бекмана 2021 року Neha Goswami. – По-перше – це швидкість: тривалість тесту може становити близько однієї хвилини. По-друге – це те, що ми не додаємо жодних барвників або хімічних реагентів до наданих зразків. Все, за що ми платимо, це вартість захисної маски і самого слайда».
З клінічного погляду, вплив таких інноваційних діагностичних можливостей очевидний.
«Раннє втручання за допомогою швидкої діагностики COVID-19 у поєднанні з відстеженням контактів значно скоротить передачу COVID-19, захворюваність і смертність», – наголосив професор патології та медичний директор лабораторії клінічної мікробіології Університету Іллінойсу (Чикаго, США) Nahed Ismail.
Таке високоадаптивне програмування ШІ може допомогти у боротьбі з майбутніми пандеміями, а не тільки із COVID-19.
Джерело: Microscopy paired with AI leads to a fast, accurate, and cost-effective COVID-19 test