Forscher in Schweden haben eine KI-gestützte elektronische Nase entwickelt, die Eierstockkrebs anhand einer einfachen Blutprobe erkennen kann. Der schnelle und kostengünstige Test könnte eines Tages dazu beitragen, diese tödliche Krebsart deutlich früher zu diagnostizieren.
Eine künstliche „Nase“, die von künstlicher Intelligenz gesteuert wird, kann anhand einer einfachen Blutprobe frühe Anzeichen von Eierstockkrebs erkennen und bietet damit eine potenziell neue Möglichkeit, eine der tödlichsten gynäkologischen Krebsarten zu untersuchen.
Forscher der Universität Linköping in Schweden berichten, dass ihr maschinelles Lernverfahren Eierstockkrebs von Gebärmutterkrebs und gesunden Kontrollpersonen unterscheiden kann, indem es die Zusammensetzung flüchtiger Substanzen im Blutplasma analysiert. In Tests mit gelagerten Proben erreichte das Gerät eine Genauigkeit von 97 %.
Die Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Fortschrittliche intelligente Systeme, baut auf der jahrzehntealten Technologie der „elektronischen Nase“ auf, kombiniert diese jedoch mit moderner KI, um eine große Lücke in der Frauengesundheit zu schließen: das Fehlen eines zuverlässigen, routinemäßigen Screening-Tests für Eierstockkrebs.
Eierstockkrebs wird oft als „stiller Killer“ bezeichnet, da seine frühen Symptome – Blähungen, Bauchschmerzen, Appetitveränderungen – unspezifisch sind und leicht mit häufigeren Erkrankungen verwechselt werden können. Daher wird er bei vielen Patientinnen erst diagnostiziert, wenn die Krankheit bereits gestreut hat, die Behandlung schwieriger und die Überlebensraten deutlich geringer sind.
Weltweit wird jedes Jahr bei Hunderttausenden Menschen Eierstockkrebs diagnostiziert, und mehr als 200,000 sterben an dieser Krankheit. Internationale Krebsorganisationen gehen davon aus, dass diese Zahlen bis 2050 aufgrund des Bevölkerungswachstums und der Alterung der Bevölkerung stark ansteigen werden.
Das Team hatte sich zum Ziel gesetzt, eines der leistungsstärksten Sinnessysteme der Biologie nachzubilden, so die Co-Autorin Donatella Puglisi, außerordentliche Professorin an der Universität Linköping.
„Wir versuchen, den Geruchssinn von Säugetieren künstlich nachzubilden. Wir haben nun einen Algorithmus entwickelt, der mithilfe von Daten einer elektronischen Nase Eierstockkrebs von Gebärmutterkrebs und gesunden Kontrollgruppen unterscheiden kann“, sagte Puglisi in einer Pressemitteilung.
Elektronische Nasen gibt es seit etwa 60 Jahren. Der in dieser Studie verwendete Prototyp verfügt über 32 handelsübliche Sensoren, die auf verschiedene flüchtige Verbindungen reagieren – winzige Moleküle, die aus einer Flüssigkeit oder einem Feststoff verdunsten und als Gerüche wahrgenommen werden können.
Jede Krebsart setzt ihr eigenes Muster flüchtiger Substanzen frei und verleiht ihr dadurch im Wesentlichen einen unverwechselbaren chemischen „Geruch“. Anstatt nach einem einzelnen Biomarker zu suchen, wie beispielsweise einem bestimmten Protein im Blut, liest das LiU-Gerät das Gesamtmuster aller 32 Sensoren gleichzeitig aus.
Diese Rohmesswerte der Sensoren werden anschließend in hochentwickelte Modelle des maschinellen Lernens eingespeist. Indem die Modelle anhand bekannter Proben aus einer Biobank trainiert werden – darunter Proben von Frauen mit Eierstockkrebs, Gebärmutterkrebs und gesunden Personen – lernt das System, die komplexen Muster zu erkennen, die auf Krankheiten hinweisen.
Das Ergebnis ist ein Test, der nicht auf der Identifizierung eines bestimmten Moleküls beruht und der mit der komplexen Realität der menschlichen Biologie zurechtkommt, bei der viele Faktoren einen einzelnen Biomarker beeinflussen können.
Heutige Bluttests zur Krebsfrüherkennung suchen typischerweise nach einem oder wenigen Biomarkern, die mit einer bestimmten Krebsart in Verbindung stehen. Diese Tests sind zeitaufwendig und weisen oft nicht die erforderliche Sensitivität und Präzision auf, um Eierstockkrebs zuverlässig frühzeitig zu erkennen.
Der Co-Autor Jens Eriksson, außerordentlicher Professor an der Universität Linköping und Chief Technology Officer bei VOC Diagnostics AB, dem Unternehmen, das die elektronische Nase entwickelt, betont, dass dies eine große Einschränkung der aktuellen Behandlung darstellt.
„Anders als bei Brustkrebs gibt es derzeit keine zuverlässige Methode zur Früherkennung von Eierstockkrebs. Diese Tests basieren oft auf einem einzigen Biomarker und weisen nicht die erforderliche Präzision auf, um die Krankheit in einem frühen Stadium zu erkennen. Unsere Methode ist daher nicht nur hinsichtlich der Genauigkeit, sondern auch in der Fähigkeit, die Krankheit im Frühstadium zu identifizieren, weit voraus“, sagte Eriksson in der Pressemitteilung.
Das neue Verfahren ist auf Schnelligkeit und Praktikabilität ausgelegt. Laut dem Team dauert der Test mit der elektronischen Nase von der Probenentnahme bis zum Ergebnis etwa 10 Minuten.
„Es ist ein einfacher Test, der nur 10 Minuten dauert und ein eindeutiges Ergebnis liefert. Unsere Methode ermöglicht es, viele Menschen kostengünstig zu testen und ist deutlich genauer als die derzeit auf dem Markt befindlichen Verfahren. Diese Studie ist eine Pilotstudie, aber wir hoffen, dass sie innerhalb von drei Jahren in die Krebsvorsorge integriert wird. Aktuell konzentrieren wir uns auf die Krebserkennung, aber die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig“, fügte Eriksson hinzu.
Wenn diese Vision Wirklichkeit wird, könnte die Technologie das Screening sowohl in ressourcenstarken als auch in ressourcenarmen Umgebungen zugänglicher machen. Die Sensoren selbst sind relativ einfach und bereits auf dem Markt erhältlich, was dazu beitragen könnte, die Kosten im Vergleich zu komplexeren Bildgebungs- oder Labortests niedrig zu halten.
Puglisi betonte die weitreichenden gesundheitspolitischen Konsequenzen angesichts der weltweit steigenden Krebsdiagnosen.
„Immer mehr Menschen, insbesondere junge Erwachsene, erhalten die Diagnose Krebs, und das ist alarmierend. Wären Vorsorgeuntersuchungen leichter zugänglich – sowohl kostengünstiger als auch regionaler –, ließe sich die Früherkennung verbessern. Unser Ansatz könnte die Einführung neuer Vorsorgeprotokolle und die Entwicklung neuer Diagnoseverfahren fördern und so die Überlebensraten, die Lebensqualität und die klinischen Ergebnisse insgesamt verbessern“, sagte sie.
Auch wenn es sich bei dieser Studie noch um eine Pilotstudie handelt und größere klinische Studien erforderlich sind, um die Ergebnisse unter realen Bedingungen zu bestätigen, deutet das Konzept auf eine Zukunft hin, in der KI-gestützte chemische Sensorik dazu beitragen könnte, viele verschiedene Krebsarten anhand einer einfachen Blutentnahme zu erkennen.
Über Eierstockkrebs hinaus könnte dieselbe Art von elektronischer Nase potenziell darauf trainiert werden, die flüchtigen Signaturen anderer Krankheiten zu erkennen, von weiteren Krebsarten bis hin zu Stoffwechsel- oder Infektionskrankheiten. Da das System „biomarkerunabhängig“ ist, können sich Forscher darauf konzentrieren, ihm das Erkennen von Mustern beizubringen, anstatt zunächst jedes beteiligte Molekül zu identifizieren.
Aktuell arbeitet das Team der Universität LiU daran, die Technologie zu verfeinern, sie in größeren und vielfältigeren Patientengruppen zu validieren und die regulatorischen Schritte zu bewältigen, die erforderlich sind, bevor ein Screening-Test in Kliniken eingesetzt werden kann.
Im Erfolgsfall könnte eine KI-gestützte Nase, die Krebs im Blut „riechen“ kann, zu einem wichtigen neuen Instrument für die Früherkennung werden – und uns daran erinnern, dass manchmal die ältesten Sinne die neueste Wissenschaft inspirieren können.
Quelle: Linköping Universität