Российские ученые открыли первый в мире метод ранней диагностики воспалительных заболеваний с помощью ИИ

Ученые из Лаборатории таргетной терапии и предиктивной диагностики Центрального университета разработали уникальный метод диагностики воспалительных заболеваний за счет использования технологий искусственного интеллекта (ИИ). Это открытие не имеет аналогов в мире.
Разработка позволяет обнаружить риски осложнений у пациентов, когда симптомы заболевания еще не выражены с помощью ИИ, которым помогает врачам безошибочно расшифровывать результаты анализов. Изобретение может повысить эффективность лечения, по крайней мере, для двух миллионов человек в год в России — пациентов пульмонологических отделений с воспалительными заболеваниями легких и с аутоиммунными заболеваниями.

Новый метод позволяет прогнозировать динамику эффективности терапии и заранее оценивать риски развития серьезных осложнений. Он способен учитывать индивидуальные особенности иммунной системы пациента, чтобы помочь врачам подобрать персонализированный протокол лечения. Таким образом терапию можно корректировать на ранних этапах болезни и повышать эффективность лечения. Ранее ни один из существующих методов диагностики не давал таких прогнозов. Пока систему используют для диагностики болезней легких, но в будущем ее адаптируют и для других заболеваний. 

Результаты открытия опубликованы в международном научном журнале The International Journal of Molecular Sciences, который входит в первый квартиль (Q1) рейтинга ведущих мировых научных изданий, в специальном выпуске: Special Issue The Role of Macrophages in Inflammation and Cancer.

До сих пор воспалительные заболевания диагностировались на основе симптомов, биохимических тестов, цитологических и гистологических исследований и рентгенографических методов. Все эти подходы не позволяют заранее оценивать риски развития осложнений. Идентичные клинические и биохимические показатели не исключают возникновения непредвиденных осложнений, вплоть до летальных исходов. Выявление таких высокорисковых пациентов до это было нерешенной научной задачей.

Разработанная тест-система позволяет обнаружить риски осложнений у пациентов, когда симптомы заболевания еще не выражены. В ее основе лежат уникальные молекулы-индикаторы и нейросеть, обученная на данных реальных пациентов. Это первая в мире технология, которая так детально изучает состояние иммунных клеток (макрофагов) при воспалениях. ИИ помогает врачам безошибочно расшифровывать результаты анализов. 

Экспериментальная схема перепрограммирования иммунных клеток (макрофагов) и определения их типа. Метод был протестирован с использованием анализов легких людей с бронхитом, астмой, хроническими воспалениями, чтобы лучше понимать, как работает иммунитет

Ученые разработали систему высокоточной диагностики состояния ключевых клеток иммунной системы, которые координируют защиту организма. Для этого создали молекулы-маркеры разной формы, которые работают как высокочувствительные датчики: находят нужные иммунные клетки и прочно соединяются с ними, помогая распознать болезнь. В результате формируется массив данных, который интерпретирует нейросеть, обученная распознавать специфические профили иммунных клеток.

Метод позволил выявить уникальный «цифровой отпечаток» (фингерпринт) болезни для каждого пациента. Многие лекарства, помимо борьбы с бактериями, напрямую влияют на активность макрофагов, причем этот эффект индивидуален. В одном случае препарат усиливает лечение, в другом — может вызвать опасное осложнение при аналогичном диагнозе. Новая технология дает врачам возможность заранее протестировать, как иммунитет конкретного человека отреагирует на терапию, и подобрать персональную тактику лечения, исключающую противоречия в работе организма.

Эксперименты проводились на пробах пациентов с заболеваниями легких, включая пневмонию, бронхит и астму. Нейросеть обучали на данных, включающих более 100 клинических случаев. Алгоритм сопоставлял комбинации индексов специфических взаимодействий молекул с иммунными клетками и информацией из медицинских карт, обучаясь четко различать типы воспалений и индивидуальные состояния иммунного статуса. Точность определения неизвестных диагнозов составила более 85%. Технология доказала свою эффективность для первичной диагностики и мониторинга состояния пациента в процессе лечения. 

Для обработки данных ученые использовали специальный метод (линейный дискриминантный анализ), который ищет связь между состоянием иммунных клеток и тяжестью заболевания. Результат представлен в виде графика-карты: на нем четко видно, как пациенты разделяются на три категории — с хорошим, нейтральным и плохим прогнозом лечения. Крестики служат маркерами для центров соответствующих зон. Пунктирные серые линии представляют нулевые значения как по оси ординат, так и по оси абсцисс.

Елена Кудряшова, доктор химических наук, профессор Центрального университета и руководитель Лаборатории таргетной терапии и предиктивной диагностики:

«Мы разработали новый метод диагностики состояния особой группы клеток, играющих ключевую роль в координации работы иммунной системы. Результаты наших исследований — очередное доказательство того, насколько сложен и не до конца понятен наш организм. Например, мы выяснили, что, казалось бы, безобидные биодобавки, БАДы, которые в разумных дозировках полезны, в случае воспалительных заболеваний могут оказывать порой непредсказуемое и не всегда положительное действие. 

Наше изобретение может повысить эффективность лечения, по крайней мере, для двух миллионов человек в год в России. Прежде всего, речь о пациентах пульмонологических отделений с воспалительными заболеваниями легких и с аутоиммунными заболеваниями. Столь значимое открытие стало возможно благодаря конструктивному межвузовскому сотрудничеству ученых из Центрального университета, Химического факультета МГУ и факультета математики Левенского университета Бельгии. Совместная работа позволила провести исследование на стыке наук, применив к биотехнологическим исследованиям методы ИИ».

Центральный университет — это первый в России вуз на основе STEM‑модели (science, technology, engineering, mathematics), созданный при поддержке крупнейших российских компаний: Т-Банк Positive Technologies, VK, МТС и других. Здесь студенты получают практические навыки для работы в сфере ИТ и свои первые офферы от лидеров индустрии. Преподавательский состав — эксперты-практики, имеющие опыт как преподавания в лучших российских вузах, так и работы в крупнейших ИТ-компаниях. Выпускники получают дипломы о высшем образовании по специальностям «математика и компьютерные науки», «бизнес-информатика». В июле 2023 года Центральный университет получил официальную бессрочную лицензию Рособрнадзора по программам бакалавриата и магистратуры.