Výskumníci z University of Cambridge využili AI v boji proti rezistencii na antibiotiká.
Výskumný tím pod vedením profesora Stephena Bakera vytvoril nástroj strojového učenia využívajúci iba mikroskopické snímky na rozlíšenie medzi baktériami odolnými voči ciprofloxacínu (bežnému antibiotiku) a tými, ktoré sú naň citlivé.
To by mohlo dramaticky skrátiť čas potrebný na diagnostiku rezistencie na antibiotiká a potenciálne zmeniť spôsob, akým liečime nebezpečné infekcie, ako je brušný týfus.
The štúdiumpublikovaná v Nature Communications, sa zamerala na Salmonella Typhimurium, baktériu, ktorá spôsobuje vážne gastrointestinálne ochorenie a môže viesť k život ohrozujúcemu invazívnemu ochoreniu.
Dr. Tuan-Anh Tran, kľúčový výskumník projektu, vysvetlil prístup v a príspevok v blogu: „Krása modelu strojového učenia je v tom, že dokáže identifikovať odolné baktérie na základe niekoľkých jemných prvkov na mikroskopických snímkach, ktoré ľudské oči nedokážu rozpoznať.“
Výskumný proces zahŕňal niekoľko kľúčových krokov:
- Príprava bakteriálnej vzorky: Tím pestoval vzorky S. Typhimurium v tekutých živných médiách, pričom niektoré boli vystavené rôznym koncentráciám ciprofloxacínu a iné nie.
- Zobrazovanie s vysokým obsahom: Pomocou sofistikovaného mikroskopu vedci urobili podrobné snímky baktérií vo viacerých časových bodoch.
- Analýza obrazu: Špecializovaný softvér extrahoval 65 rôznych funkcií z každej bakteriálnej bunky, vrátane tvaru, veľkosti a interakcie s fluorescenčnými farbivami.
- Vývoj modelu strojového učenia: Výskumníci vložili tieto údaje do rôznych algoritmov strojového učenia a naučili ich rozpoznávať vzorce spojené s rezistenciou na antibiotiká.
- Výber funkcií: Tím identifikoval najdôležitejšie vlastnosti na rozlíšenie medzi odolnými a citlivými baktériami.
Výsledky tohto procesu boli pôsobivé. Systém AI správne identifikoval baktérie rezistentné na antibiotiká približne v 87 % prípadov.
Snáď najvýznamnejšie je, že vedci zistili, že rezistentné a náchylné baktérie mali zreteľné vizuálne vzory, ktoré AI dokázala odhaliť, aj keď neboli vystavené antibiotikám.
To naznačuje, že rezistencia na antibiotiká mení vzhľad baktérií spôsobmi, ktoré sú príliš jemné na to, aby ich ľudia videli, ale ktoré AI dokáže odhaliť.
Súčasné metódy zvyčajne vyžadujú niekoľkodňovú kultiváciu baktérií a testovanie proti rôznym antimikrobiálnym látkam. Naproti tomu nová metóda založená na AI by mohla potenciálne poskytnúť výsledky v priebehu niekoľkých hodín.
Rýchlejšia diagnostika umožňuje lekárom predpísať najúčinnejšie antibiotiká skôr, čo potenciálne zlepšuje výsledky pacientov a znižuje šírenie rezistentných baktérií.
Pri pohľade do budúcnosti sa výskumný tím snaží rozšíriť svoj prístup k zložitejším klinickým vzorkám, ako je krv alebo moč, a otestovať ich na iných typoch baktérií a antibiotík. Pracujú tiež na tom, aby bola táto technológia dostupnejšia pre nemocnice a kliniky po celom svete.
Ako vysvetľuje profesor Baker: „To, čo by bolo skutočne dôležité, najmä v klinickom kontexte, by bolo vedieť odobrať komplexnú vzorku – napríklad krv alebo moč alebo spútum – a priamo z toho identifikovať citlivosť a rezistenciu.
„To je oveľa komplikovanejší problém, ktorý sa v skutočnosti vôbec nerieši, dokonca ani v klinickej diagnostike v nemocnici. Ak by sme našli spôsob, ako to urobiť, mohli by sme skrátiť čas potrebný na identifikáciu rezistencie voči liekom a za oveľa nižšie náklady. To by mohlo byť skutočne transformačné.“
Dr. Sushmita Sridhar zhrnula dopady a uviedla: „Vzhľadom na to, že tento prístup využíva zobrazovanie s rozlíšením jednej bunky, ešte to nie je riešenie, ktoré by sa dalo ľahko nasadiť všade. Ale ukazuje to skutočný prísľub, že zachytením len niekoľkých parametrov o tvare a štruktúre baktérií nám môže poskytnúť dostatok informácií na relatívne ľahké predpovedanie rezistencie voči liekom.
Keďže rezistencia na antibiotiká naďalej predstavuje stupňujúcu sa globálnu hrozbu pre zdravie, inovatívne prístupy, ako je táto zobrazovacia technika poháňaná AI, ponúkajú novú nádej.
Ide o súčasť širšieho trendu inovácií poháňaných AI vo výskume antibiotík. Na MIT výskumníci použili modely hlbokého učenia na objavenie úplne nová trieda antibiotík.
V podobnom duchu ďalší tím vedcov v máji minulého roka oznámil, že na to použili AI identifikovať nové antibiotikum účinný proti baktériám odolným voči liekom.
Umelá inteligencia umožňuje rýchlejšiu a presnejšiu identifikáciu infekcií odolných voči liekom, čím pripravuje pôdu pre účinnejšiu liečbu a lepšie výsledky pre pacientov.
Niekoľko nasledujúcich rokov bude kľúčových, pretože tím bude pracovať na tom, aby svoj laboratórny úspech preniesol do reálnych klinických aplikácií.