Ligų gydymą padeda modeliuoti ir dirbtinis intelektas, ir medaus korio modelis

VUL Santaros klinikų filialo Valstybinio patologijos centro direktoriaus ir Medicinos fakulteto profesoriaus Arvydo Laurinavičiaus vadovaujamos komandos darbai pasiekė pasaulinį lygį: apie vieną iš tokių darbų skelbia jau daugiau nei 30 metų apie sveikatos sistemos tendencijas ir inovacijas rašantis portalas Healthcare-in-europe.com.

Čia pristatomas Lietuvos mokslininkų darbas, susijęs su vienu iš vėžio gydymo būdų (imunoterapija). Tam pasitelkiama erdvinė patologijos vaizdo analizė, kuri kartu su įprasta mikroskopine analize suteikia svarbios informacijos vertinant navikus.

Medicinos mokslo technologijos ir įvairių mokslo sričių specialistų bendri darbai sukuria neįtikėtinų atradimų, skirtų ligų diagnostikai, naujoms gydymo strategijoms kurti. Viena iš tokių sričių – patologija. Pranešime žiniasklaidai skelbiama, kad Santaros klinikų filiale Valstybiniame patologijos centre per metus atliekama per 100 tūkst. tiriamosios medžiagos tyrimų organizmo pakitimams nustatyti – tai kasdienė šio centro praktika. Plėtojami ir mokslo darbai, kurie patologijos sritį iškelia į visai kitokį lygmenį: patologija tampa skaitmenine, atverdama naujas galimybes tiek pacientams, tiek gydytojams.

Portalas Healthcare-in-europe.com pristato Valstybinio patologijos centro, VUL SK filialo direktoriaus, VU Medicinos fakulteto profesoriaus Arvydo Laurinavičiaus kartu su partneriais atliekamus darbus skaitmeninės patologijos ir dirbtinio intelekto srityje.

Kas yra skaitmenizuojama ir kokiam tikslui?

Patologija – tai audinių tyrimu paremta ligų diagnostika, t. y. skirtingai nuo kitų medicinos sričių tiesiogiai tiriamas pažeistas audinys. Per keliasdešimt minučių mikroskopu ištiriamas biopsijos metu paimtas audinio ar organo gabalėlis ir nustatoma patologinis procesas, ligos aktyvumas, išplitimas, ar tai yra piktybinis ar nepiktybinis darinys, jo molekuliniai ypatumai ir pan. Skaitmenizuojant šis mikroskopinis vaizdas yra nuskenuojamas ir paverčiamas vaizdo elementais (pikseliais).

Skaitmeninės medicinos privalumas yra tas, kad vaizdą galima nusiųsti į bet kurią pasaulio vietą. Dar didesnė vertė – tuos vaizdus pradėta analizuoti panaudojant ir dirbtinį intelektą: „Tai yra nepaprastai svarbu, nes žmogaus akis ir suvokimas turi ribas. Skaitmeninis vaizdas yra toks pats, koks regimas ir mikroskope, tik jis perkeliamas į kompiuterį ir po jį galima „vaikščioti“. Kitaip tariant, skaitmeniniame vaizde medžiagos yra žymiai daugiau, nei gali regėti žmogaus akis, – aiškina Valstybinio patologijos centro direktorius profesorius Arvydas Laurinavičius. – Skaitmeninės analizės algoritmai kuriami taip, kad galima iš to vaizdo „ištraukti“ net ir tai, kas yra nematoma.“

Medicinos skaitmenizavimo procese dalyvauja patologai, doktorantai, bioinformatikai, genetikai, duomenų mokslininkas, vaizdo analizės specialistai, t. y. didelė medicininių ir nemedicininių profesijų specialistų komanda.

Kaip galėtų skaitmeninė analizė padėti pacientui?

Pasak profesoriaus A. Laurinavičiaus, molekulinės biologijos mokslininkai jau keletą dešimtmečių gilinasi ir tyrinėja vėžio ląsteles, jų mutacijas ir reguliacijos mechanizmus. To reikėjo kuriant taikinių terapijos gydymo metodus. Šie modernūs metodai taikomi ir šiandien, tačiau vėžio audinyje ląstelės nėra vienodos, jos prisitaiko ir kinta, todėl taikinių terapija ne visada vienodai sėkminga. Tyrinėjant vėžio ląsteles ir gydymo rezultatus pastebėta, kad, parenkant gydymą, į vėžį reikia žiūrėti kaip į ląstelių įvairovę ir jų tarpusavio sąveiką. Tai yra labai dinamiška ekosistema. Taikinių terapijos metodu žudomos ląstelės, kurias šia terapija siekiama sunaikinti, tačiau yra ir atsparių ląstelių, kurios išlieka nesunaikintos ir dauginasi, užimdamos sunaikintų ląstelių vietą. Tokiu būdu yra paaiškinamas ribotas taikinių terapijos efektyvumas. Skaitmeniniame vaizde gilinamasi ne tiek į ląstelę, kiek vertinama visuma ir jų erdvinė sąveika. Būtent iš šios sąveikos (tai jau yra įrodyta) galima daug geriau prognozuoti, kokia galima paciento ligos išeitis. Taigi šiuo būdu tiriama ląstelių sąveika paverčiama rodikliais, kurie naudojami prognostiniams modeliams kurti.

Antra labai svarbi tema onkologijoje yra susijusi su vėžio imunoterapija. Įrodyta, kad aktyvavus imuninį paciento atsaką prieš jo paties vėžį, imuninė sistema daug geriau susitvarko su vėžiu nei taikinių terapija. Kitaip tariant, naikinant vėžines ląsteles taikinių terapijos metu, jų vis tiek šiek tiek „pabėga“, galutinis rezultatas nėra toks ryškus. Imuninės ląstelės, jei jos „atgaivinamos“, sugeba daug efektyviau „sugaudyti“ visas vėžines ląsteles. Imunoterapija leidžia pasiekti ligos remisiją ir pagerinti galutinį rezultatą, t.y. paciento išgyvenamumą. Tai yra esminis skirtumas tarp taikinių terapijos ir imunoterapijos.

Kokia šio metodo esmė?

„Skaitmeniniuose patologijos vaizduose yra gausu duomenų su daugybe pritaikymo nišų dirbtinio intelekto sistemoms. Galime kurti technologijas, leidžiančias pamatyti tai, ko negali žmogaus akis, suskaičiuoti tai, ko nepajėgia žmogaus smegenys. Mūsų komandos kuriami sprendimai atveria naujas galimybes personalizuojant onkologinių pacientų gydymą,“ – teigia prof. A. Laurinavičius.

Imuniniam atsakui naviko ir sveiko audinio sąveikos zonoje įvertinti sukurtas imunogradiento rodiklių rinkinys, leidžiantis prognozuoti krūties bei storosios žarnos vėžio eigą ir gali būti naudingas numatant imunoterapijos poreikį pacientui. (Gradientas – tai matematinis terminas, reiškiantis vektorių su skaitine reikšme ir kryptimi).

Šio metodo esmė – nustatyti, kur yra naviko ir paciento sąveikos zona. Joje apskaičiuojamas limfocitų tankis ir jo erdvinis pasiskirstymas, kuris atspindi, ar jie linkę skverbtis į vėžio audinį, ar sustoja ties jo riba. Šis polinkis pamatuojamas imunogradiento rodikliais, kurie leidžia prognozuoti ligos eigą geriau nei daugelis dabartinių parametrų.

Kiek algoritmų jau sukurta?

Jie kuriami įvairiose patologijos srityse įvairioms užduotims spręsti, pagal jų pritaikymą – nuo paprastų, komercinių, atviro kodo (tarkime, suskaičiuoti ląstelių skaičių) – iki pačių sudėtingiausių. Vieni populiariausių – vėžio metastazių paieška limfmazgiuose. Tam reikia ypač kruopštaus patologo darbo, kai šalia vėžio esančiuose limfmazgiuose reikia surasti nedideles vėžio ląstelių grupes – mikrometastazes. Iš kiekvieno limfmazgio gaminami mikropreparatai, nuskenuojami ir tiriami. Čia varžosi visas pasaulis: pateikiama vaizdinė medžiaga ir keli šimtai mokslininkų dalyvauja, kurie tiksliau suras vėžio ląsteles. Tuo užsiima daugybė tyrinėtojų, pradedant Harvardo, Kinijos mokslininkais, baigiant... Google. Beje, šie dažnai ir laimi, nes turi didelius skaičiavimo pajėgumus.

Medaus korio vaizdas

Šešiakampių gardelės analitika plačiai taikoma geografijoje, ekologijoje. Paprastesnis metodas, t. y. stačiakampės gardelės, netiksliai pamatuoja „apvalų“ pasaulį (toks principas naudojamas, pavyzdžiui, žemėlapyje google maps). Pasaulio projekciją geriau atkurti ir įvertinti šešiakampės gardelės principais, kuriuos naudoja bitės, akies tinklainė. Kuriant imunogradiento rinkinį, panaudotas medaus korio vaizdas, t. y. šešiakampės gardelės analitika. Šis metodas gali būti pritaikomas ne tik vėžio srityje, bet ir uždegiminių bei kitų ligų patologijos tyrimams tobulinti.