【Nature】汪星人的新工作：医用探测犬“嗅”出疾病助诊断

有什么证据支持狗可以嗅出人类疾病？

狗对人类气味的变化一直保持着高度敏感。第一个证据来自1989年的《柳叶刀》杂志：一只狗嗅闻了一位女士，并咬伤了她的痣——这颗痣结果被发现是一种黑色素瘤。这引发了人们的联想：癌症也许可以通过气味被检测到，而狗也许可以协助诊断疾病。

2004年，此领域有了巨大进展，当时一个名为“医疗探测犬”（Medical Detection Dogs）的英国慈善机构报告，犬类可以从人类尿液中嗅出膀胱癌。从那时起，研究人员就开始研究如何利用犬类来诊断其他癌症和其他疾病，例如糖尿病、疟疾和COVID-19。

为什么狗适合做这份工作？

狗通过他们的鼻子来体验这个世界。当犬类吸气时，它们会把高达15%的进气气流直接转移到嗅觉上皮——这种膜组织富含嗅觉受体，可帮助犬类探测微小浓度的气味。正因为拥有如此之多的气味受体，犬类还能区分众多不同的复合物。然后，有关气味分子的信息被传递到犬类大脑中的嗅球（olfactory bulb）部位。相对于各自大脑的体积比，犬类的嗅球比人类的嗅球大约30倍。

许多其他动物也能“嗅”出疾病：大象、鲨鱼和熊都具有一些良好的嗅觉；冈比亚袋鼠可以检测到地雷和结核病——但它们并不能像犬类一样和人类一起工作。犬类的伟大之处在于它们具有认知功和交流能力，能和人类互动，并渴望归属感：这些特质让犬类变得与众不同。辛西娅·奥托和同事们开玩笑说，猫也许也能做到这些，但猫咪们也许并不愿意这样做，它们有自己的行事风格。因此，狗是理想的工作搭档，人们可以和它们一同工作，并从它们身上获得信息反馈。

在狗的鼻子的后部是嗅觉区域（黄棕色），其涡卷状组织充满了气味受体；呼吸区域显示为粉红色。

狗在疾病中检测什么？

辛西娅·奥托表示，我们不知道狗具体闻到了什么；但从基本生理学角度看，我们知道癌症、细菌、或病毒感染会改变人们的新陈代谢——由此，疾病个体与健康个体间存在气味差异也就不足为奇了。然而，问题在于，这些气味差异可能非常微妙，即便使用例如气相色谱-质谱检测法（gas chromatography–mass spectrometry）这些精准的分析手段，也仍有可能无法探测到气味差异。这些差异甚至可能会因所患疾病而异。概括来说，犬类嗅到的很可能不是某种具体的气味，而是一种独特的气味模式，而此气味模式会刺激犬类做出某些反馈。

辛西娅·奥托及其团队目前正和费城莫奈尔化学感官中心（Monell Chemical Senses Center）的化学家们合作，试图把和疾病相关的气味（disease-related odours）进行分解，分解成更具体的构成成分。通过以往的爆炸物探测工作可知，气味中的某种特定组成成分并不会让所有的狗做出反馈——有些狗通过组成成分A和B做出反馈；而有些则通过成分A和C做出反馈。对于犬类这种特别的动物而言，这种差异是最容易被注意到的。

Ffoster是一条黄色的拉布拉多犬，它嗅到了一个装有卵巢癌患者样本的盒子。

图片来源：Jennifer L. Essler

如何训练狗准确地检测疾病？

检测疾病的训练类似与检测炸弹和毒品。辛西娅·奥托团队从患有特定疾病的人和没有这种疾病的人那里采集生物样本（例如汗液和尿液），然后让狗嗅闻这些装有样本的容器。研究者对狗的正确反馈做出奖赏，并忽略其他非正确反馈。

我们从患有特定疾病的人和没有这种疾病的人那里采集生物样本，例如汗液和尿液。然后，我们允许狗用样本嗅出容器，并奖励狗对每个样本的正确行为反应，并忽略其他非正确行为。

然而，辛西娅·奥托表示，这些生物样本必须来自众多个体。如果样本个体数量不多，狗学会到的则是区分个体的气味，而非区分疾病的气味。研究者的目标是让狗学会概括，并使狗意识到：即使所有疾病样本的气味都各不相同，它们仍具有某个共同点。研究者还必须考虑其他可变因素——因为狗有时非常单纯，会优先使用任何对它们来说最简单的线索。辛西娅·奥托举了一个例子：从医院采集了某疾病的阳性样本，从社区中心采集了所有阴性样本，狗可能会告诉我们哪些样本在医院里，而并非反馈谁患有这种疾病。样本越是多样化，狗所被训练的概括能力就约广泛，其探测疾病的准确度也会越高。

辛西娅·奥托和团队成员一直倡导保持培训标准和质量控制标准，以确保狗所正在接受的训练是符合试验目的和试验标准的

狗会成为临床实践的常规部分吗？

辛西娅·奥托表示，这是人们可以想象到的场景。然而，虽然犬类具有相对较高的准确性，但目前，其参与临床实践还需要诸多障碍。比如，患者在接受癌症诊断时，本身就很可能会感到不安或烦躁；如果诊室中多出了一条狗，患者对这种情况、对医生及狗的反应，都可能会对狗的反馈产生影响。

当然，狗可以在私密的环境下工作——它们可以在远离病人的小房间里嗅探样本。但一只狗通常每次只能工作10分钟。狗也是会容易犯错的，就和人类一样：有幸运的日子，也有倒霉的日子。

“相反，我们可以让狗来教机器检测疾病。” 辛西娅·奥托团队正在为卵巢癌、胰腺癌以及COVID-19做此类研究。团队的合作者包括了来自宾夕法尼亚大学纳米/生物界面中心（Nano/Bio Interface Center）的查理·约翰逊主任，以及团队成立的一家名为VOC Health的公司。研究团队致力于开发一种手持电子设备，使其可以像犬类一样，能准确可靠地识别各种疾病的气味特征。