Astmul, o boală pulmonară cronică care provoacă crize repetate de respiraţie dificilă, constricţie toracică şi crize de tuse, este în creştere în întreaga lume. Potrivit Organizaţiei Mondiale a Sănătăţii aproximativ 235 de milioane de oameni sunt afectaţi de astm, la nivel mondial, iar un raport al Iniţiativei Globale pentru Astm estimează că încă 100 de milioane de persoane ar putea să sufere de astm până în 2025. Boala este comună în rândul copiilor, aproximativ 7% dintre copiii din SUA suferă de astm iar în România procentul era de 6.4%, în urmă cu câţiva ani. Deşi mai multe studii au arătat că respiraţia poluanţilor toxici individuali ai aerului, "toxicii aerului", cresc şansele ca un copil să sufere de astm, se ştia puţin despre ce se întâmplă atunci când poluanţii se amestecă.
Cercetătorii de la Mount Sinai Icahn School of Medicine, din New York, au dezvoltat un algoritm de învăţare automată pe care l-au folosit pentru a identifica amestecuri necunoscute anterior de poluanţi toxici din aer care par să aibă legătură cu rezultatele slabe în evoluţia astmului la copii. Studiul a examinat expunerea timpurie la zeci de poluanţi posibili experimentat de 151 de copii cu forme uşoare până la severe de astm. În timp ce unele cazuri ar putea fi legate de un anume poluant atmosferic consacrat, altele par să fie legate de amestecuri de poluanţi care nu au fost niciodată asociaţi cu astmul.
Rezultatele şi o descriere a noului algoritm au apărut în Journal of Clinical Investigation.
„Astmul este o bolă dintre cele mai răspândite care afecteaza copiii în Statele Unite. În acest studiu, am dezvoltat o listă de poluanţi atmosferici la care un copil mic poate fi expus, şi care poate duce la probleme pe termen mai lung în cazul copiilor cu astm. Rezultatele noastre arată modul în care respiraţia şi combinaţiile unor anumiţi poluanţi pot duce la rezultate slabe la copii cu astm. Sperăm că o viziune mai cuprinzătoare şi mai holistică asupra poluării aerului ar putea într-o zi să reducă suferinţele copiilor de pe urma astmului", spune autorul senior al studiului, medicul Supinda Bunyavanich, profesor de pediatrie, genetică şi ştiinţe genomice la Institutul Icahn.
Folosind un model de algoritm de învăţare automată, cercetătorii au descoperit 18 substanţe chimice care pot fi legate de rezultate slabe ale astmului pe parcursul vieţii copilului. Mai exact, ei au analizat dacă un copil a necesitat zilnic medicamente pentru controlul astmului, asistenţă de urgenţă sau a fost internat în spital în urma stărilor astmatice. În acelaşi timp, specialiştii au găsit noi legături între rezultatele observate şi 20 de amestecuri diferite de poluanţi. Multe dintre substanţele chimice din amestecurile identificate nu au fost până acum asociate de riscul de astm pe termen lung.
„Precum mulţi alţi oameni de ştiinţă, am vrut să oferim o imagine mai cuprinzătoare a modului în care substanţele toxice din aer contribuie la astmul dobândit în copilărie. În mod tradiţional, din motive tehnice, a fost dificil să se studieze până acum ce efecte au asupra sănătăţii mai multe substanţe toxice la un loc. Am reuşit să depăşim acest obstacol prin utilizarea unui model de învăţare automată", spune dr. Gaurav Pandey, profesor de genetică şi ştiinţe genomice.
Cercetătorii au cartografiat pentru prima dată estimările emisiilor pentru 125 de poluanţi cunoscuţi în zonele rezidenţiale şi anul de naştere a 151 de copii din regiunea metropolitană New York, ca parte a studiul Airway in Asthma. Datele privind emisiile au fost obţinute folosind evaluările toxicităţii aerului efectuate de Agenţia Naţională pentru Protecţia Mediului. Apoi, cercetătorii au aplicat un algoritm inedit, pe care l-au numit "Extragerea profilului ExposurE bazat pe date (DEEP)", pentru a testa dacă nivelurile crescute ale poluanţilor observaţi la începutul vieţii copilului au fost corelate cu problemele de astm raportate în jurul vârstei de 12 ani.
DEEP se bazează pe un algoritm puternic de învăţare automată numit eXtreme Gradient Boosting (EXBoost), care construieşte modelul de predicţie din sute de "arbori de decizie" sau modalităţi posibile prin care fiecare poluant, singur sau în combinaţie cu alţii, ar putea fi asociat cu problemele de astm observate mai târziu în viaţa pacientului.
Rezultatele au arătat că este posibil ca unii poluanţi să fi avut o influenţă de sine stătătoare. De exemplu, expunerea la agentul de impermeabilizare trimetilamină cu miros de amoniac a crescut şansele ca un copil cu astm să petreacă o noapte în spital. Alţi poluanţi au acţionat singuri sau în combinaţie. S-a dovedit că expunerea la acid acrilic a crescut şansele ca un copil să aibă nevoie de medicamente zilnic. Amestecarea acidului acrilic cu alte substanţe chimice nu numai că a crescut această posibilitate, dar a crescut şi şansele de vizite la camera de urgenţă şi de spitalizări peste noapte. Interesant pentru cercetători a fost să descopere că unii poluanţi, cum ar fi compuşii toluenului şi ai cobaltului au fost asociaţi cu rezultate slabe doar în combinaţie cu alţi compuşi. În total 16 dintre substanţele chimice pe care le-au evaluat s-au încadrat în această categorie.
De asemenea, cercetătorii au descoperit că factorii demografici pot juca un rol suplimentar. De exemplu, expunerea la o combinaţie de hidrochinonă şi diclorură de etiliden a fost cel mai puternic predictor al spitalizărilor peste noapte. Studiul a constatat că acei copii care au intrat în această categorie erau, de asemenea, mai tineri şi proveneau din familii cu venituri mai mici decât cei care nu au fost expuşi la poluanţi.
„Studiul nostru este un exemplu al modului în care învăţarea automată are potenţialul de a modifica cercetarea medicală. Ne permite să înţelegem cum o mare varietate de factori de mediu, (expozomul), ne influenţează sănătatea. În viitor, intenţionăm să folosim DEEP şi alte tehnici de informatică pentru a cerceta factorii de mediu asociaţi cu alte tulburări complexe", spune dr. Pandey.
Expozomul este un concept recent, care a intrat în atenţia oamenilor de ştiinţă, pentru că este un barometru al stării de sănătate. Termenul a fost folosit pentru prima dată de epidemiologul britanic, Christopher Wild, în 2005, când acesta a publicat un studiu cu titlul “Completarea genomului cu expozomul: Provocarea remarcabilă a măsurării expunerii la mediu în epidemiologia moleculară”. Conform acestuia expozomul reprezintă măsurarea tuturor expunerilor unei persoane, de la naştere pe întregul parcurs al vieţii, la factorii de mediu (non-genetici), bacterii, viruşi ciuperci, particule provenite din poluare şi din alte substanţe chimice, etc, şi a modului în care aceste expuneri se raportează la sănătate. Factorii exteriori, non-genetici spun specialiştii, au o pondere de 90% în instalarea bolilor cronice, precum şi în cazul maladiilor ale căror cauze sunt încă neclare.
