Медоносные пчелы обладают отличным обонянием, позволяющим улавливать нужные им запахи даже при минимальных концентрациях. Исследователи Мичиганского государственного университета использовали эту особенность для выявления онкологических заболеваний у людей. Оказалось, что пчелы не просто могут учуять биомаркеры рака в человеческом дыхании, но и различать разные типы биомаркеров рака легких.

Пчелы не первые, кого используют ученые в исследованиях по диагностике раковых заболеваний. Животных с высоко развитым обонянием называют макросоматиками. К ним относятся, например, собаки и мыши, которых российские исследователи из Института проблем передачи информации РАН, НИИ канцерогенеза РОНЦ и Кинологического отдела Аэрофлота уже проверяли на способность чуять рак. 

В рамках прошедших в 2014-2015 годах экспериментах собакам давали понюхать фекалии и мочу больной мыши, а после заводили в комнату с образцами мочи и кала 11 здоровых мышей и 1 больной мыши. В 27 случаях из 30 собаки верно определяли образец фекалий, принадлежавший больной мыши, а в 45 из 66 случаях — образец мочи. В экспериментах с мышами испытуемым давали понюхать сначала запах здоровой особи, а потом здоровой и больной. Во всех случаях запаху больной особи мыши уделяли в два раза больше внимания, а это значит, что они совершенно точно замечают разницу в запахе образцов здоровой и больной особи. 

Но во всех этих исследованиях есть определяющий фактор — возможность практического применения. В конечном итоге найденное решение должно позволить поставить на поток подобную диагностику. Но собак довольно дорого обучать и содержать, как и мышей, им нужны особые условия содержания, разведения и лечения, а структура обоняния этих животных слишком сложна, чтобы ее можно было в один счет воспроизвести в лабораторных условиях.

Тут и приходят на помощь другие макросоматики — пчелы, которых значительно проще содержать, разводить, и совершенно не нужно дрессировать. Кроме того, реакции насекомых на запахи значительно проще разобрать и, соответственно, использовать для создания инструментов, позволяющих определять онкомаркеры без участия животных.

У пчелы обоняние устроено иначе, чем у человека, собаки или мыши. Роль носа выполняют усики на голове. На этих усиках расположено до 6 тысяч углублений или так называемых обонятельных ямок, прикрытых пластинами. Попадая внутрь этих углублений химические соединения, образующие запах, по-разному раздражают чувствительные нервные клетки усиков. Нервные клетки передают сигналы о типе раздражения в мозг, где и определяется запах.

Чтобы проверить способность пчел учуять рак, исследователи Мичиганского государственного университета разработали 9 синтетических образцов выдыхаемой человеком воздушно-капельной смеси: для здорового человека и для больного онкологическими маркерами рака легких в различных концентрациях. Запахи подавались через трубочку к усикам пчел, зафиксированным в специально напечатанном на 3D-принтере фиксаторе. Всего в эксперименте приняло участие 20 пчел. 

С помощью подключенного к мозгу пчелы датчика исследователи фиксировали реакции пчел на те или иные биомаркеры в подаваемых воздушно-капельных смесях. Они обнаружили взаимосвязь, указывающую на то, что пчелы с высокой точностью (86,7%) отличают запах биомаркера от других. Кроме того, они способны учуять его даже в ничтожно малых концентрациях и различать разные типы биомаркеров, что стало приятной неожиданностью для исследователей.

Мозг пчелы с подведенным к нему датчиком 

То есть пчелиный мозг послужил мощным датчиком, способным работать с целым набором различных биомаркеров, а не только с одним или парой, как обычно бывает у «электронных носов» — устройств для определения содержания тех или иных химических элементов в воздухе или воздушно-капельной смеси. Такие «носы» также используются для диагностики рака легких, но, как правило, они не обладают широкой чувствительность. Датчик способен реагировать на одно или пару химических соединений или онкомаркеров, что плохо при базовой диагностике. 

Исследователи другой команды Мичиганского государственного университета, также изучающие способы диагностики раковых заболеваний, подтвердили применимость полученных в ходе эксперимента данных для разработки устройств диагностики нового поколения. Они изготовили датчик, взяв за основу структуру мозга пчелы и реакции мозга в ответ на появление тех или иных биомаркеров. Исследование завершилось успешно — разработанный датчик был способен отличать пораженные раком легкие от здоровых и даже определять тип биомаркера. 

Полученные в ходе эксперимента данные исследователи планируют применить для создания неинвазивных устройств диагностики, таких как электронные носы. Похожим образом работают алкотестеры. Пациенту в ходе диспансеризации или ранней диагностики раковых заболеваний нужно будет только пару раз выдохнуть в специальное устройство, способное распознавать и различать между собой несколько типов онкомаркеров даже в низкой концентрации. 

Такое устройство позволит сократить время и стоимость обследования в десятки или даже сотни раз, как уже показали эксперименты томских исследователей. Ученые из лаборатории лазерного молекулярного имиджинга и машинного обучения Томского государственного университета в 2023 году разработали и испытали устройство для диагностики по молекулярным профилям, то есть по составу выдыхаемой человеком воздушно-капельной смеси. Но если в экспериментах с пчелами исследователи ориентировались на биомаркеры рака легких, то ученые из Томска брали в расчет соотношение концентраций химических соединений, характерных для тех или иных заболеваний. Метаболизм человека при болезни меняется, а значит, по таким соотношениям можно определить, есть ли патологические процессы. В таком случае устройство перестает быть направленным на диагностику только одного вида заболевания или одного заболевания в целом, становясь помощником в диагностике диабета, рака и других распространенных болезней.