Ako sa smartfón v spojení so strojovým učením môže stať jednoduchým a efektívnym testom na COVID-19

"Testovanie v Spojených štátoch je neporiadok" napísala redakcia Príroda časopis nedávno, ktorý rieši sériu chybných krokov, ktoré viedli k vážnemu nedostatku v schopnosti krajiny odhaliť COVID-19.

„S šambolskou koordináciou na národnej úrovni sú existujúci poskytovatelia zaplavení a testujú nevybavené veci sa predĺžili a nedostatok tampónov, zásob a činidiel narástol,“ poznamenal redaktorov.

Katastrofa amerického testovania na COVID-19 otvára cestu novým prístupom k diagnostike choroby, z ktorých niektoré môžu získať povolenie na núdzové použitie od amerického Úradu pre potraviny a liečivá, ak sa preukážu sľúbiť.

Zadajte smartfón. Fotoaparát na priemernom smartfóne je dostatočne výkonný na to, aby zachytil podstatné informácie zo vzhľadu tekutiny v genetickom teste. V spojení s počítačovými programami s hlbokým učením by takéto detaily mohla teoreticky analyzovať aplikácia v telefóne, aby sa na mieste dala odpoveď, či má jednotlivec nejakú chorobu.

Prístup pomocou smartfónu by mohol otvoriť cestu k veľmi jednoduchej diagnostickej súprave pre COVID-19, ktorú by bolo možné použiť na mieste, či už v klinika, prejazdové alebo vyskakovacie testovacie zariadenie alebo prostredie mimo cesty, ako je vidiecke miesto, ktoré je ďaleko od laboratórium.

Veda o takomto prístupe sa vyvíja už niekoľko rokov a v čase COVID-19 dosahuje novú úroveň elegantnej jednoduchosti.

Aashish Priye, an odborný asistent na Katedre chemického a environmentálneho inžinierstva na University of Cincinnati neustále zdokonaľuje ultraprenosný test-in-a-box, ak chcete, na infekčné choroby.

Len s vyhrievacou doskou, LED svetelným zdrojom a smartfónom sa dá Priyeho dizajn prenosnej súpravy na batérie použiť na testovanie prítomnosti vírusu za menej ako hodinu. V najnovšej verzii je možné použiť neurónovú sieť s hlbokým učením známu ako konvolučná neurónová sieť alebo ConvNet zistiť, koľko vírusového materiálu je vo vzorke krvi alebo slín, na základe pixelov zachytených smartfónom fotoaparát.

„Skúmame netradičné techniky analýzy obrazu, aby sme zlepšili detekčné schopnosti spotrebiteľských smartfónov detekcia vírusov pomocou niečoho extrémne výkonného, ​​ale zároveň široko dostupného pre väčšinu ľudí,“ vysvetlil Priye v e-mailovej výmene s ZDNet.

Priyeho práca je sama osebe umožnená radikálnym zjednodušením genetického testovania v posledných dvoch desaťročiach, čo je čoraz populárnejší prístup známy ako LAMP.

Všetky diagnostické testy na báze nukleových kyselín, vrátane LAMP, sú založené na kontrolovanej chemickej reakcii, ktorej výsledkom je to, čo je známe ako amplifikácia. Vložte nejakú DNA, genetické inštrukcie života alebo, v prípade vírusu, RNA, jednovláknovú pracovnú kópiu, v polymérovej skúmavke spolu s niekoľkými krátkymi vláknami nukleovej kyseliny, známymi ako primery, a enzýmom známym ako polymeráza; zmes opakovane zahrievajte a ochlaďte; a výsledkom je, že DNA alebo RNA sa niekoľkonásobne znásobí.

tiež: „Za pár mesiacov robíme to, čo by normálne proces vývoja liekov trval roky“: Argonne Labs spoločnosti DoE bojuje proti COVID-19 s AI

The Tento proces bol prvýkrát opísaný v roku 1985 vedcami v Cetus Corporation, biotechnologickom startupe v San Franciscu, ktorý to nazval „polymerázová reťazová reakcia“ alebo PCR. Kary Mullis, hlavný vynálezca spoločnosti Cetus, získal za tento postup Nobelovu cenu. PCR spôsobila revolúciu v biológii tým, že zjednodušila vytváranie obrovského množstva DNA alebo RNA na štúdium.

Mullisov pohľad na začiatku bol, že PCR nielen zosilňuje, ale tiež vyberá špecifické genetické sekvencie nukleovej kyseliny ich extrahovaním zo zvyšku okolitej genetiky materiál. To znamená, že DNA alebo RNA, ktoré ešte nie sú úplne známe, môžu byť identifikované v roztoku, fakt, ktorý Mullis poznamenal, bol „rovnako dôležitý ako samotné zosilnenie“. Amplifikácia nie je len množenie DNA a RNA, inými slovami, je to nástroj na identifikáciu a teda nástroj na diagnostiku.

PCR sa stala všadeprítomnou v laboratóriách a verzia, kvantitatívna PCR s reverznou transkriptázou alebo RT-qPCR, je zlatým štandardom pre testy COVID-19. Existuje však niekoľko ťažkopádnych aspektov PCR, ktoré obmedzujú jej použitie, najmä počas pandémie, keď je rýchlosť testovania podstatná.

Celý proces PCR zvyčajne trvá niekoľko hodín, plus čas potrebný na odoslanie vzoriek do laboratória, kde sa nachádza vybavenie PCR. Hlavná časť zariadenia, termocykler, ktorý starostlivo vedie chemickú zmes cez opakované fázy zahrievanie a chladenie, stojí tisíce dolárov a vyžaduje drahé činidlá, ako je Taq polymeráza v srdci proces. To ho stavia mimo dosahu kohokoľvek okrem dobre financovaných laboratórií.

„Práve teraz spôsob testovania je vo väčšine prípadov tak, že niekto príde, alebo musíte vzorku poslať na miesto, kde je PCR stroj a vy urobíte PCR a potom dostanete späť výsledky a doba obratu je hodiny až dni,“ vysvetlil Priye. ZDNet. "Chcete to skrátiť na menej ako hodinu, možno 30 minút."

Boli urobené pokusy o zjednodušenie PCR. Napríklad, niekoľko spoločností pracuje na prenosných verziách PCR, trend označovaný ako DIY Bio. Ale stav techniky v lacných amplifikačných prístupoch je alternatívna metóda známa ako LAMP, čo znamená izotermické zosilnenie sprostredkované slučkou.

Svetu predstavený v roku 2000 vedci z Eiken Chemical of Japan, LAMP môže byť vykonaná za menej ako hodinu. Rovnako dôležité je, že vzorka sa musí zahriať iba na jednu teplotu a nie na viacnásobné vzostupy a pády zahrievania a chladenia v PCR. Jednoduchosť jednoteplotnej alebo izotermickej prípravy robí zariadenie pre LAMP rádovo lacnejšie ako PCR termocyklery.

Po amplifikácii je potrebné detekovať DNA alebo RNA, ak bola nájdená, a to je miesto, kde Priye urobila veľké pokroky.

„Jedinečnosť v našom laboratóriu je kombináciou aspektu prenosnosti LAMP s analýzou obrazu v aplikácii pre smartfóny na detekciu produktov LAMP pomocou vstavanej kamery,“ vysvetlil.

Štandardným spôsobom čítania výsledkov LAMP je zasiahnutie vzorky svetlom, ktoré spôsobí, že detekovaná DNA alebo RNA fluoreskuje, a potom pozorovanie farieb v tejto fluorescencii. Ako zdroj svetla možno použiť diódu vyžarujúcu svetlo alebo LED a zvyčajne zariadenie nazývané fluorometer meria farebnú odozvu.

V novinách z roku 2017, Priye a vedci zo Sandia National Laboratories navrhli namiesto fluorometra testovaciu súpravu „LAMP box“ s vyhrievacou podložkou, LED svetlom a smartfónom. Dokázal odstrániť časť zariadenia, čím sa zjednodušil celkový dizajn.

Vo svojej súčasnej práci Priye ešte viac zjednodušuje veci pomocou toho, čo nazýva „bezznačkovou“ detekčnou metódou, ktorá nemusí obsahovať fluorescenčné molekuly.

"Aj keď sú fluorescenčne značené priméry účinné, ich implementácia do testov LAMP je nákladná, najmä pri optimalizácii rôznych sád primérov," povedal.

Ukazuje sa, že existuje oveľa jednoduchší spôsob, ako vidieť pozitívnu reakciu v LAMP. V roku 2001, krátko po tom, čo zaviedli túto techniku, vedci Eiken opísal zaujímavý fakt. Pozitívny výsledok testu prirodzene vytvoril vedľajší produkt, nepriehľadnú, mliečne bielu látku v tekutom roztoku. Ten zákal, ako sa tomu hovorí, je pyrofosforečnan horečnatý, ktorý vzniká ako výsledok interakcie iónov v procese LAMP. Látka môže byť videná voľným okom len pohľadom na vzorku v skúmavke po kroku amplifikácie.

Aj keď môžete zákal vidieť priamo, pri diagnostických testoch je dôležité, aby ste mohli presne merať aký veľký je zákal, pretože vám môže povedať, koľko cieľovej DNA alebo RNA je prítomné v a vzorka.

Tento problém merania je tam, kde prichádza do úvahy strojové učenie. V spolupráci s kolegom Surya PrasathPriye pracuje na kvantifikácii zákalu analýzou obrázkov s vysokým rozlíšením pomocou neurónovej siete.

tiež: Vedci pod vedením odborníka na umelú inteligenciu Yoshua Bengia vyzývajú na súkromie a prístup k dobrovoľnému sledovaniu kontaktov COVID-19

"Plánujeme trénovať a testovať hlbokú konvolučnú neurónovú sieť na klasifikáciu 10-krát zväčšených obrázkov podľa úrovne zrážok vytvorených vo vzorkách LAMP," vysvetlil Priye. ConvNets, ako je známe, boli ťažným koňom moderného hlbokého učenia pre celý rad aplikácií, ale najmä pre klasifikáciu a kategorizáciu obrázkov.

Priye a Prasath tiež paralelne testujú jednoduchšie formy strojového učenia, povedal ZDNet, vrátane podporných vektorových strojov a náhodných lesov, na určenie optimálneho modelu na použitie. Experimenty zahŕňajú laboratórne generované obrazy, ako aj syntetické obrazy generované generatívom adversarial network, druh neurónovej siete s hlbokým učením, ktorá dokáže syntetizovať obrázky na základe vzoriek originálny.

Keď bude vyvinutá optimálna neurónová sieť, bude začlenená do detekčnej aplikácie spustenej na smartfóne, povedal Priye.

Vyhrievacie teleso je ďalšou súčasťou súpravy, na ktorej Priye pracuje na zjednodušení. V dizajne načrtnutom v roku 2017 je vykurovacia doska napájaná z päťvoltovej batérie. Experimentoval s diódou vyžarujúcou svetlo s výkonom približne 1 watt a 1 ampérom budiaceho prúdu, ktorá dokáže zohriať malé množstvo tekutiny spočívajúcej na tenkom kovovom filme. Proces sa nazýva fotonické zahrievanie, premieňa svetlo na teplo.

Začínajú sa objavovať obrysy mimoriadne jednoduchej súpravy: žiadny fluorescenčný systém, žiadna vyhrievacia podložka, len tenká kovová platňa, niekoľko plastových trubíc, zdroj svetla a smartfón.

Priye dúfa, že prototyp súpravy bude mať do konca roka. Zároveň sleduje diagnostické vybavenie, presúva sa na druhý front, aby zjednodušil samotnú LAMP. Existuje jedna oblasť, kde je LAMP ťažkopádnejší ako PCR, a to vo vývoji primérov, reťazcov nukleových kyselín používaných na zosilnenie cieľovej DNA alebo RNA, ktoré sa majú amplifikovať. PCR potrebuje iba dva priméry na detekciu každej vírusovej infekcie, zatiaľ čo LAMP vyžaduje 6 až 8 primérov.

Viac primérov komplikuje to, čo sa môže stať počas amplifikácie.

"Pri väčšom počte primérov existuje väčšia šanca, že tieto priméry interagujú medzi sebou a nesprávnou časťou vírusovej RNA," čo môže viesť k skresleným výsledkom, vysvetlil Priye. "Toto je jeden z hlavných dôvodov týchto falošne pozitívnych reakcií."

Typicky trvá návrh primérov pre LAMP, ktorý sa musí vykonať pri každom novom ochorení mesiacov, s postgraduálnymi študentmi v laboratóriu, ktorí sa zaoberali gruntovnou prácou pokusov a omylov pri hľadaní toho správneho recept.

Aby pomohol zefektívniť túto prácu, Priye vytvára softvér založený na termodynamických modeloch, čo nazýva „reakcia LAMP“. simulátor“, ktorý dokáže zachytiť „produkty prechodnej reakcie“ v LAMP – dokáže modelovať, čo sa pravdepodobne stane počas zosilnenie.

„Predpovedaním pravdepodobnosti, že tieto priméry budú vzájomne pôsobiť, ešte predtým, ako vstúpia do laboratória, môžeme výrazne skrátiť čas potrebný na navrhnutie a testovanie viacerých primerov pre konkrétny vírus,“ vysvetlil Priye.

Je to skôr ako rýchle prototypovanie alebo digitálne modelovanie pre výrobu, kde sa pokusy môžu opakovať predtým, než sa zaviažete ku konečnému dizajnu.

Časový rámec na dokončenie tohto softvéru môže byť niekedy budúci rok, povedal Priye.

Odstránená testovacia súprava a simulačný softvér Priye sú súčasťou vývoja LAMP na platformu. Všade sa objavujú snahy stavať na jednoduchej metóde zosilnenia.

Napríklad spustenie Mamutie biovedy, ktorú spoluzaložila vedkyňa z U.C Berkeley Jennifer Doudna, ktorá bola priekopníčkou v používaní úpravy génov CRISPR/Cas, vyvinula verziu LAMP, ktorá využíva enzým Cas12 na detekciu výsledkov LAMP. Enzým automaticky štiepi genetický materiál, keď sa cieľová DNA alebo RNA objaví v kroku amplifikácie. Test je možné vykonať za pol hodiny a krok detekcie využíva jednoduché prúžky nazývané laterálny prietokový imunotest, podobne ako tehotenský test.

Takéto dômyselné kombinácie ľahkých prístupov naznačujú, že COVID-19 má za následok vlnu inovácií, ktorá zmení povahu testovania a diagnostiky na ďalšie roky. Možno okamžite nevyriešia problémové miesto testovania v prípade COVID-19, ale existuje možnosť, že súčasný debakel, nech je akokoľvek zlý, bude mať v budúcnosti malý strieborný okraj generácie.