1滴の血液、多くの診断:健康スクリーニングのための赤外線分光法

August, 7, 2024, München--LMUとMPQの研究者は、赤外線と機械学習を使用して、人間の健康とその逸脱を集団レベルで効果的にスクリーニングする方法を開発した。

Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) and the Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ)のMihaela Žigmanが率いるBIRDチームの科学者たちは、Helmholtz Zentrum Münchenと共同で、赤外線と機械学習を使用して、1回の測定で複数の健康状態を検出する健康診断ツールを開発した。

赤外分光法は、赤外光を使用して物質の分子組成を分析する技術であり、何十年にもわたって化学の基礎となるツールだった。これは、分光計と呼ばれる特殊な機械によって送達できる指紋を分子に与えるようなものである。この物理化学的手法を血漿のような複雑な生体流体に適用すると、分子シグナルに関する詳細な情報を明らかにすることができ、医療診断の有望なツールになる。化学や産業で長年使用されてきたにもかかわらず、赤外分光法は確立されておらず、医療診断の規範にも組み込まれていない。

Mihaela Žigmanが率いるLMUとMPQのBIRDグループの科学者チームは、この問題への取組をを開始した。以前にヒトの血漿を測定する方法を確立したチームは、Helmholtz MunichのAnnette Peterのチームと協力して、自然に多様な集団に対する赤外線分子フィンガープリントの先駆者となった。これには、ドイツのアウグスブルクで設立された包括的な健康研究プロジェクト、KORA研究で、数千人の血液を測定することが含まれていた。無作為に選ばれた成人は、自然に変動する集団の代表的なシナリオとして選択され、健康診断と献血のために募集された。

広範な潜在的アプリケーション
現在の研究の価値は何か。既存のKORA研究は、新たな視点からテストされ、5.000を超える血漿サンプルがフーリエ変換赤外(FTIR)分光法を使用して測定されたという新しい目的を果たしたため、新たな価値を得た。LMUのBIRDチームのTarek EissaとCristina Leonardoは、赤外線を使用してKORA研究の血液サンプルを分析し、分子フィンガープリントを取得した。チームは機械学習を応用して分子フィンガープリントを分析し、それらを医療データと関連付けた。チームは、これらのフィンガープリントが迅速な健康診断を可能にする貴重な情報を含んでいることを発見した。血中脂質の異常なレベル、血圧の様々な変化、2型糖尿病の観察だけでなく、検出されないことが多い糖尿病の前駆体である前糖尿病の発見など、様々な健康状態を区別できるマルチタスクコンピューターアルゴリズム(multi-task computer algorithm)。

興味深いことに、このアルゴリズムは、調査対象年数にわたって健康で健康を維持した個人を特定することもできる。これは2つの理由で非常に重要だった:まず、ランダムな集団のほとんどの人が異常な健康状態の変化を経験し、われわれ全員が異なるだけでなく、時間とともに変化することを考えると、完全に健康な個人を見つけることはほぼ簡単である。第二に、多くの個人が様々な組み合わせで複数の状態に苦しんでいる。従来、医師は病気ごとに新しい検査を必要としていた。しかし、この新しいアプローチは、一度に1つの状態を特定するだけでなく、様々な健康問題を正確に特定する。この機械学習を活用したシステムは、健康な個人を特定するだけでなく、複数の病気が関与する複雑な状態を同時に検出する。さらに、症状が現れる何年も前にメタボリックシンドロームの発症を予測できるため、介入の窓が提供される。

研究チームによると、この研究は、赤外線分子フィンガープリント法が健康診断の日常的な部分となり、医師がより効率的に状態を検出して管理できるようにするための基礎を築く。これは、コレステロール異常や糖尿病などの代謝障害にとって特に重要であり、タイムリーで効果的な介入により結果を大幅に改善できる。とは言え、この技術の潜在的な応用はさらに広がる。研究者がシステムを改良し、その機能を拡大し続けるにつれて、技術開発と臨床研究の文脈でのこれらの確立により、診断レパトリーにさらに多くの健康状態とそれらの組み合わせが追加されることが期待される。これにより、個人が定期的に健康状態を確認し、深刻な問題が発生するずっと前に潜在的な問題を発見する、パーソナライズされた健康モニタリングにつながる可能性がある。

結論として、研究チームによると、赤外分光法と機械学習の組み合わせは、健康診断を変革することになる。一滴の血液と赤外線で、われわれの健康を監視し、問題をより効率的に発見し、世界中の医療を改善するための強力な新しいツールが生まれる。
(詳細は、https://www.lmu.de/)