La inteligencia artificial impulsa un dispositivo de detección de enfermedades que rivaliza con el olfato de un perro

Los perros adiestrados pueden detectar el cáncer y otras enfermedades mediante el olfato. Un detector miniaturizado puede analizar trazas de moléculas para imitar el proceso.

Numerosos estudios han demostrado que los perros adiestrados pueden detectar muchos tipos de enfermedades -como el cáncer de pulmón, de mama, de ovarios, de vejiga y de próstata, y posiblemente el Covid-19- simplemente a través del olfato. En algunos casos, relacionados con el cáncer de próstata por ejemplo, los perros tuvieron un 99% de éxito en la detección de la enfermedad oliendo las muestras de orina de los pacientes.

Pero se necesita tiempo para entrenar a esos perros, y su disponibilidad y tiempo son limitados. Los científicos han estado buscando formas de automatizar las asombrosas capacidades olfativas de la nariz y el cerebro caninos, en un dispositivo compacto. 

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y otras instituciones ha ideado un sistema capaz de detectar el contenido químico y microbiano de una muestra de aire con una sensibilidad aún mayor que la de la nariz de un perro. Lo han unido a un proceso de aprendizaje automático que puede identificar las características distintivas de las muestras portadoras de enfermedades.

Los hallazgos, que según los investigadores podrían conducir algún día a un sistema automatizado de detección de olores lo suficientemente pequeño como para incorporarlo a un teléfono móvil, se publicaron el 17 de febrero de 2021 en la revista PLOS One, en un artículo elaborado por Claire Guest, de Medical Detection Dogs (Reino Unido), el investigador científico Andreas Mershin, del MIT, y otras 18 personas de la Universidad Johns Hopkins, la Fundación del Cáncer de Próstata y varias otras universidades y organizaciones.

Los perros adiestrados pueden detectar el cáncer y otras enfermedades mediante el olfato. Un detector miniaturizado puede analizar trazas de moléculas para imitar el proceso.

Numerosos estudios han demostrado que los perros adiestrados pueden detectar muchos tipos de enfermedades -como el cáncer de pulmón, de mama, de ovarios, de vejiga y de próstata, y posiblemente el Covid-19- simplemente a través del olfato. En algunos casos, relacionados con el cáncer de próstata por ejemplo, los perros tuvieron un 99% de éxito en la detección de la enfermedad oliendo las muestras de orina de los pacientes.

Pero lleva tiempo entrenar a estos perros, y su disponibilidad y tiempo son limitados. Los científicos han estado buscando formas de automatizar las asombrosas capacidades olfativas de la nariz y el cerebro caninos, en un dispositivo compacto. 

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y otras instituciones ha ideado un sistema capaz de detectar el contenido químico y microbiano de una muestra de aire con una sensibilidad aún mayor que la de la nariz de un perro. Lo han unido a un proceso de aprendizaje automático que puede identificar las características distintivas de las muestras portadoras de enfermedades.

Los hallazgos, que según los investigadores podrían conducir algún día a un sistema automatizado de detección de olores lo suficientemente pequeño como para incorporarlo a un teléfono móvil, se publicaron el 17 de febrero de 2021 en la revista PLOS One, en un artículo de Claire Guest, de Medical Detection Dogs (Reino Unido), el investigador científico Andreas Mershin, del MIT, y otras 18 personas de la Universidad Johns Hopkins, la Fundación del Cáncer de Próstata y varias otras universidades y organizaciones.

Nariz artificial

Una primera versión de la nariz artificial desarrollada por Mershin y sus colaboradores. Con el tiempo, el dispositivo se ha miniaturizado y ahora es más pequeño que un teléfono móvil normal. Crédito: Medical Diagnostic Dogs

 "Los perros, desde hace unos 15 años, han demostrado ser los detectores de enfermedades más tempranos y precisos de todo lo que hemos probado", afirma Mershin. Y su rendimiento en pruebas controladas ha superado en algunos casos el de las mejores pruebas de laboratorio actuales, afirma. "Hasta ahora, los perros han detectado antes muchos tipos de cáncer que cualquier otra tecnología".

Es más, los perros aparentemente captan conexiones que hasta ahora han eludido los investigadores humanos: Cuando se les entrena para que respondan a muestras de pacientes con un tipo de cáncer, algunos perros han identificado después otros tipos de cáncer, aunque las similitudes entre las muestras no fueran evidentes para los humanos.

Estos perros pueden identificar "cánceres que no tienen ninguna firma biomolecular idéntica en común, nada en los olores", afirma Mershin. Mediante potentes herramientas analíticas, como la espectrometría de masas por cromatografía de gases (GCMS) y la elaboración de perfiles microbianos, "si se analizan las muestras de, digamos, el cáncer de piel y el de vejiga y el de mama y el de pulmón -todas ellas cosas que el perro ha demostrado ser capaz de detectar- no tienen nada en común". Sin embargo, el perro puede generalizar de alguna manera a partir de un tipo de cáncer para ser capaz de identificar los otros.

En los últimos años, Mershin y su equipo han desarrollado, y seguido mejorando, un sistema detector miniaturizado que incorpora receptores olfativos de mamíferos estabilizados para actuar como sensores, cuyos flujos de datos pueden ser manejados en tiempo real por las capacidades de un típico smartphone. Prevé un día en que todos los teléfonos lleven incorporado un detector de olores, al igual que las cámaras son ahora omnipresentes en los teléfonos. 

Estos detectores, equipados con algoritmos avanzados desarrollados a través del aprendizaje automático, podrían detectar signos tempranos de enfermedad mucho antes que los regímenes de detección típicos, afirma, e incluso podrían advertir de la presencia de humo o de una fuga de gas.

En las últimas pruebas, el equipo analizó 50 muestras de orina de casos confirmados de cáncer de próstata y de controles que se sabía que no padecían la enfermedad, utilizando tanto perros entrenados y manejados por Medical Detection Dogs en el Reino Unido como el sistema de detección miniaturizado. 

A continuación, aplicaron un programa de aprendizaje automático para descubrir las similitudes y diferencias entre las muestras que pudieran ayudar al sistema basado en sensores a identificar la enfermedad. Al analizar las mismas muestras, el sistema artificial fue capaz de igualar los porcentajes de éxito de los perros, y ambos métodos obtuvieron una puntuación superior al 70%.

El sistema de detección miniaturizado, afirma Mershin, es en realidad 200 veces más sensible que la nariz de un perro en cuanto a la capacidad de detectar e identificar minúsculos rastros de diferentes moléculas, como se ha confirmado mediante pruebas controladas exigidas por DARPA. Pero en cuanto a la interpretación de esas moléculas, "es cien por cien más tonta". 

Ahí es donde entra el aprendizaje automático, para tratar de encontrar los esquivos patrones que los perros pueden inferir del olor, pero que los humanos no han podido captar a partir de un análisis químico.

 "Los perros no conocen la química", dice Mershin. "No ven aparecer en su cabeza una lista de moléculas. Cuando huelen una taza de café, no ven una lista de nombres y concentraciones, sienten una sensación integrada. Esa sensación de carácter olfativo es lo que los perros pueden extraer".

Aunque el aparato físico para detectar y analizar las moléculas en el aire lleva varios años en desarrollo, con buena parte de la atención puesta en reducir su tamaño, hasta ahora faltaba el análisis. "Sabíamos que los sensores ya son mejores que lo que pueden hacer los perros en cuanto al límite de detección, pero lo que no habíamos demostrado antes es que podemos entrenar una inteligencia artificial para que imite a los perros", dice. "Y ahora hemos demostrado que podemos hacerlo. Hemos demostrado que lo que hace el perro puede replicarse hasta cierto punto".

Este logro, dicen los investigadores, proporciona un marco sólido para seguir investigando y desarrollar la tecnología hasta un nivel adecuado para su uso clínico. Mershin espera poder analizar un conjunto mucho más amplio de muestras, quizá 5.000, para determinar con mayor detalle los indicadores significativos de la enfermedad. 

Pero estas pruebas no son baratas: cuesta alrededor de 1.000 dólares por muestra para recoger, documentar, enviar y analizar muestras clínicamente probadas y certificadas de orina portadora y libre de enfermedades, dice.

Reflexionando sobre cómo se involucró en esta investigación, Mershin recuerda un estudio sobre la detección del cáncer de vejiga, en el que un perro seguía identificando erróneamente a un miembro del grupo de control como positivo para la enfermedad, a pesar de que había sido seleccionado específicamente en base a las pruebas del hospital como libre de enfermedad. 

El paciente, que conocía la prueba del perro, optó por someterse a más pruebas, y unos meses después se descubrió que tenía la enfermedad en una fase muy temprana. "Aunque es sólo un caso, tengo que admitir que eso me convenció", dice Mershin.

Artículo traducido y adaptado de Scitech Daily