Laste kopsuinfektsioonide mõistatust aitab lahendada tehisintellekt

Foto: Anna Shvets, Pexels

Teadlased kasutavad genoomikat ja masinõpet, et jagu saada lapsi tapvatest mikroobidest. 

Alumiste hingamisteede infektsioonid, mis tihti väljenduvad kopsupõletikuna, on pikka aega olnud laste üks peamistest surmapõhjustest kogu maailmas. Neid nakkusi on keeruline tõhusalt ravida, sest praegu ei suudeta sageli kindlaks teha, kas infektsioon on üldse olemas ja kui jah, siis milline tekitaja seda põhjustab.

Tehisintellekt parandab olukorda

Uuringus, mis avaldati 3. aprillil 2023 ajakirjas The Journal of Clinical Investigation, on  kirjeldatud uut meetodit nakkuste diagnoosimiseks raske hingamispuudulikkusega lastel. Raskelt haigetelt lastelt saadud kopsuvedelikust otsitakse haigustekitajate geneetilist materjali ja analüüsitakse seda tehisintellekti abil. Nii saab hingamisteede probleemitekitaja tuvastada väga suure täpsusega, mis ületab palju praeguseid meetodeid.

Valgus pimeduses

Kopsuinfektsioone võivad põhjustada erinevad bakterid, viirused või seened, kuid infektsiooni sümptomid on väliselt sarnased, olenemata süüdlasest. Enamgi veel -  neid on raske eristada mittenakkuslikest hingamisteede haigustest. Seetõttu töötavad arstid tõhusa raviplaani väljatöötamisel sageli «sõjaudu» (fog of war) olukorras», ütles Eran Mick (CZ Biohub SF, UCSF), kes on üks uuringu juhtivatest autoreist.

Praegune diagnostika põhineb sageli bakterikülvidel, kuid bakterite kasvatamine söötmel võtab aega ja ei tuvasta alati õigesti probleemi põhjustanud baktereid. Testid annavad sageli valenegatiivseid tulemusi või tuvastavad mikroobid, mis tegelikult haigust ei põhjusta.

«Enam kui pooltel juhtudest ei tuvastata tegelikku infektsiooni põhjustavat mikroobi," ütles uuringu autor, dotsent Chaz Langelier (CZ Biohub SF, UCSF). «Tulemuseks on, et ravi ei pruugi olla suunatud probleemi põhjustajale.»

Kui tekitajat ei õnnestu kindlaks teha, võivad arstid kasutada laia toimespektriga antibiootikumide kokteili, aga see aitab kaasa antibiootikumidele resistentsete bakterite tekkele. Lisaks võib selline antibiootikumikasutus põhjustada ebasoodsaid tagajärgi nagu neerukahjustus või nakatumine muude kahjulike bakteritega, näiteks Clostridioides difficile. Lisaks kõigele võib selline ravi olla täiesti ebatõhus haigustekitaja vastu, sest viirusnakkust pole nii võimalik ravida. 

«Kuigi viirused põhjustavad enamiku väikelastel alumiste hingamisteede haigustest, teame, et raskekujulise haigusega lastel, kes vajavad mehaanilist ventilatsiooni, on sageli viiruse ja bakterite kaasinfektsioonid,» ütles vanemautor professor Peter Mourani. «Nii et isegi kui tavaliselt kasutatava PCR-testiga avastatakse viirus, tunnevad arstid sageli, et nad on sunnitud ravima võimalikku bakteriaalset infektsiooni, sealhulgas juhul, kui bakterikülvid on negatiivsed. Enamik lapsi saab enne proovide võtmist antibiootikume, mis võivad seejärel kaasa aidata valenegatiivsetele tulemustele.»

«Lisandub see, et alumiste hingamisteede infektsioonide tõeline bioloogia ei seisne ainult patogeensetes mikroobides, » ütles Langelier. «See on tõesti dünaamiline koosmõju infektsiooni põhjustava patogeeni, patsiendi immuunvastuse ja kopsu normaalse mikrobioomi vahel.»

Terviklikum lähenemine

Paremaks diagnoosimiseks ja raviks töötasid teadlased välja uue meetodi, mis ei võta arvesse mitte ainult võimalike patogeenide olemasolu kopsus, vaid ka patsiendi immuunvastust, mis võib näidata, kas keha võitleb infektsiooniga.

Meetod põhineb metagenoomsel RNA sekveneerimisel, mis näitab samaaegselt geenide aktiivsust ja kõiki olemasolevaid mikroobe - kõik ühest kopsuvedeliku proovist. Metagenoomika püüab kinni kõik proovis olevad geneetilised järjestused – kas patsiendilt endalt, bakteritelt või viirustelt. Neid järjestusi saab seejärel arvutuslikult võrrelda võrdlusandmebaasidega, et analüüsida geeniekspressiooni ja mikroobide arvukust.

Seejärel rakendasid teadlased metagenoomilistele andmetele masinõppe algoritme. Teadlased koostasid ja uurisid 261 lapse metagenoomi andmeid, kes oli sattunud ühte kaheksast uuringusse kaasatud USA lastehaiglast. 

Metagenoomse diagnostika väljatöötamiseks ja testimiseks kasutati andmeid patsientide kohta, kellel oli kindlalt alumiste hingamisteede infektsioon ja patsientide kohta, kellel ei olnud infektsiooni. Lisaks diagnoosi panemisele määrab meetod ka kõige tõenäolisema põhjusliku haigustekitaja nakatunud patsientide jaoks.

Meetod osutus uskumatult täpseks

«See töötas oodatust paremini,» ütles Langelier. «Meie «kõveraalune pindala», mis on sisuliselt diagnostilise testi tulemuslikkuse mõõt, oli üle 0,98 (skaalal 0 kuni 1). See on nii hea, kui diagnostilise testiga võimalik saada on ja on tegelikult parem kui sarnane test, mille oleme välja töötanud täiskasvanutele.» Ehk siis kopsuprobleemide põhjuse või põhjustaja õnnestub sellise meetodiga kindlaks teha pea kõigil juhtudel.

21. sajandi diagnostika

«Sellel testil oleks ravile suur mõju,» ütles uuringu autor Alexandra Tsitsiklis. «Metagenoomilise diagnostika üks peamisi eeliseid on võime anda vastus ebakindla kliinilise diagnoosiga patsientidele.» Tõepoolest, meetod suutis diagnoosida alumiste hingamisteede infektsiooni ja tuvastada tõenäolised patogeenid. Lisaks ütles Tsitsiklis, et sellist testi saab kasutada bakteriaalse infektsiooni välistamiseks, nii et nende patsientide puhul saaks antibiootikumikasutust vältida, lisades: «See on üks järgmistest sammudest, mis muudaks selle kliiniliselt veelgi kasulikumaks. »

Uuringut juhtis ka Jack Kamm, teiste kaasautorite hulka kuuluvad Katrina Kalantar, Norma Neff ja Angela Detweiler ning mitmed Colorado ülikooli teadlased. 

Teadlased loodavad, et nende meetod muutub haiglates tavapäraselt kasutatavaks. «Nakkushaiguste diagnoosimise viis on väga primitiivne. See on sama, mis on olnud aastakümneid ja arstid pole rahul olemasolevate tööriistadega. Seega loodame, et saame selle kallal edasi töötada, et jõuda punktini, kus seda haiglas rakendatakse, » ütles Mick. «Püüame luua aluse haiglate toomiseks 21. sajandisse.»

Allikad: The Journal of Clinical Investigation, 3. aprill 2023