Для анализа одного образца нужно не меньше 24 обученных насекомых
Французские исследователи убедились, что обоняния муравьев достаточно, чтобы отличить мышей с привитой человеческой злокачественной опухолью от здоровых животных. В перспективе это может помочь в создании биологических методов диагностики рака. Отчет о работе опубликован в журнале Proceedings of the Royal Society B.
Все живые клетки в процессе жизнедеятельности вырабатывают небольшое количество низкомолекулярных летучих органических соединений (ЛОС), причем их набор зависит от типа клетки. Из организма они выводятся с выдыхаемым воздухом, а также присутствуют в поте, слюне, моче и кале. Уже полвека ведутся попытки задействовать это в диагностике заболеваний (сейчас эту область исследований иногда называют волатоломикой). Наибольший интерес представляет выявление злокачественных новообразований, поскольку их крайне важно определить на ранних стадиях, а существующие методы сложны и дороги, что сильно затрудняет скрининг. Для диагностики по запаху пытаются применять как инструментальные методики, так и обоняние животных. При этом эксперименты с собаками, на которые поначалу возлагались наибольшие надежды, оказались под вопросом из-за низких точности и воспроизводимости, к тому же разводить и обучать этих животных долго и дорого. Поэтому некоторые научные группы пытаются приспособить для этих целей насекомых, обоняние которых весьма чувствительно, а содержание гораздо менее затратно.
Сотрудники Университета Париж-Сакле, Института Кюри, Университета Сорбонна Париж Норд и Университетского института Франции под руководством Патрисии д’Этторре (Patrizia d’Ettorre) использовали в своей работе распространенных бурых лесных муравьев (Formica fusca). Эти насекомые обладают развитым обонянием и способны к быстрому обучению запахам и закреплению приобретенных знаний. В 2022 году исследователи показали, что Formica fusca способны по запаху различать клеточные культуры человеческих опухолей яичника и груди и отличать их от здоровых клеток.
Убедившись в этом, авторы работы перешли к выявлению новообразований по запаху мочи. Для этого они привили шести иммунодефицитным мышам человеческие ксенографты HBCx-11 мезенхимального подтипа трижды негативного рака молочной железы (ТНРМЖ). Еще шести животным, вошедшим в контрольную группу, выполнили схожую операцию, но без пересадки патологической ткани. Спустя семь недель в основной группе средние размеры опухолей составили 11×9,83 миллиметра при объеме 554,83 кубического миллиметра. В это время у всех животных собрали мочу, поместив их на три часа в индивидуальные вольеры, выстланные фильтровальной бумагой. Образцы площадью в квадратный сантиметр проанализировали химически с помощью газовой хроматографии/масс-спектрометрии и заморозили для дальнейших экспериментов.
Затем исследователи обучали индивидуальных рабочих муравьев, помещая их в чашку Петри, на одной стороне которой находились пробирка с образцом мочи и капля 30-процентного сахарного раствора, а на противоположной — пустая пробирка и дистиллированная вода. Сессии повторяли трижды с интервалом в три минуты. 35 насекомых таким способом обучили запаху мочи мышей с опухолью, еще 35 — здоровых животных. Спустя 15, 20 и 25 минут после обучения каждого муравья на две минуты помещали в чашку Петри, на противоположных сторонах которой находились пробирки с образцами мочи от больных и здоровых мышей, а перпендикулярно им — две пустые пробирки (чтобы исключить визуальные факторы), и регистрировали время нахождения в очерченной области вокруг каждой из них. Статистическую обработку данных проводили с помощью линейных смешанных моделей.
Выяснилось, что у муравьев быстро вырабатывается условный рефлекс на запах — во второй и третьей обучающих сессиях они находили вознаграждение гораздо быстрее. Это не зависело от происхождения образца мочи — от больной или здоровой мыши. В проверочной серии экспериментов насекомые проводили существенно больше времени в области заученного, чем в области нового для них запаха (p < 0,001; f2 = 0,49). То, на каких образцах мочи обучалась конкретная особь, статистического значения не имело. По расчетам исследователей, для достоверного определения наличия опухоли таким способом необходимо как минимум 24 муравья.
Сопоставление химического состава образцов мочи и поведения насекомых в экспериментах показало, что они коррелируют с объемом опухоли. Анализ методом главных компонент (PCA) выявил три кластера: отсутствие новообразования и опухоли объемом больше среднего не пересекались друг с другом, опухоли меньше среднего объема частично перекрывали оба этих кластера на координатной плоскости.
Как пишут авторы работы, полученные результаты указывают на потенциал использования муравьев в качестве биологических детекторов злокачественных новообразований. Однако для этого необходимы дальнейшие эксперименты с различными видами рака и использованием биоматериалов, полученных непосредственно у онкологических пациентов.
В 2022 году американские исследователи сообщили о создании экспериментальной системы для обонятельного выявления новообразований, анализатором в которой служат изолированные мозг и усики саранчи, подключенные к нейроинтерфейсу. Подробно об этом и о диагностике рака по запаху вообще рассказывает материал «Запах опухоли».