Psy w walce z COVID-19

Genialny psi nos

Niesamowity zmysł węchu pies zawdzięcza złożonej budowie nosa. Składa się on z nabłonka węchowego z ok. 300 milionami receptorów zapachowych. Dla porównania ludzki nabłonek węchowy posiada jedynie ok. 40–50 milionów receptorów. Nabłonki te różnią się nie tylko liczbą receptorów, ale również powierzchnią, która w zależności od rasy psa może wynosić od 120 do nawet 390 cm2, a dla człowieka wynosi raptem 5–7 cm2.

Za doskonałością psiego węchu stoi również mózg psa, który jest dużo lepiej przystosowany do analizowania zapachów i ma znacznie bardziej rozbudowaną opuszkę węchową, czyli część mózgu z neuronami odpowiedzialnymi za rozpoznawanie zapachów. U psa waży ona przeciętnie 5 gramów, u człowieka zaledwie 1,5 grama. Do tego należy dodać również proporcjonalnie większe płaty węchowe u psów oraz znacznie większą liczbę genów odpowiedzialnych za odbiór zapachów niż u człowieka.

Tak jak człowiek odbiera świat głównie za pomocą wzroku i dostrzeganych obrazów, tak pies odtwarza obrazy ze świata poprzez zapachy. Psy, które genetycznie są lepiej przystosowane do odbierania zapachów ze środowiska, również inaczej korzystają ze swojego zmysłu węchu. Węch jest zmysłem dominującym u psa. Najważniejszym i najbardziej rozwiniętym, a narządy do odbioru i analizy zapachów są odpowiednio do tego przystosowane, począwszy od zimnej i wilgotnej powierzchni trufli nosowej, która ułatwia przyleganie i rozpuszczanie cząsteczek zapachowych, przez dodatkowe narządy w jamie nosowej, takie jak narząd Jakobsona, aż po świetnie rozwinięty i przystosowany do analizy złożoności zapachów mózg. Odbierane przez psa bodźce zapachowe przekazywane są wprost do mózgu, w którym odbywa się ich analiza.

Kolejną niezwykłą cechą psiego nosa jest samo przystosowanie do węszenia, które odbywa się zupełnie niezależnie od oddychania. Podczas węszenia powietrze przedostaje się górną częścią komory nosowej, gdzie natrafia na specjalną porowatą strukturę kostną, na której osadzają się i kumulują cząsteczki zapachowe. Dzięki temu nie są one wydmuchiwane podczas wydechu. W czasie oddychania powietrze przemieszcza się dolną częścią jamy nosowej, poniżej tej struktury.

My, ludzie, kiedy wdychamy i wydychamy powietrze przez nos, przepływa ono tym samym korytarzem. Jeśli chodzi o psy, ich nozdrza mogą działać niezależnie od siebie. Fałd nosowy, czyli złożenie tkanki tuż wewnątrz nozdrzy, rozdziela zapach na dwie odrębne ścieżki – jedną dla węchu, która rozkłada zapach na poszczególne składowe, aby opisać psu każdy szczegół o tym zapachu, i jeden oddechowy, aby pies mógł oddychać. Tak skonstruowana jama nosowa zapewnia wysoce wydajny transport substancji zapachowych oraz zwiększa czas ich przebywania na bardzo czułym nabłonku węchowym, natomiast wewnętrzny przepływ powietrza oraz odrębne kanały przystosowane do oddychania i do węszenia zapobiegają rozcieńczaniu nawęszanej substancji oraz rozproszeniu cząsteczek zapachowych podczas oddychania.

Wszystkie te czynniki składają się na niesamowite możliwości wykrywania i analizowania zapachów przez psy, a w połączeniu z ich zdolnością i chęcią do uczenia się, sprawia to, że pies i jego nos są obecnie najlepszymi bioczujnikami znanymi człowiekowi, wykorzystywanymi powszechnie do pomocy człowiekowi w wykrywaniu narkotyków, materiałów wybuchowych, różnego rodzaju nielegalnych substancji, osób zaginionych, a nawet gatunków roślin i zwierząt zagrożonych wymarciem.

„Jeśli jeden gram kwasu masłowego zostanie odparowany równomiernie we wszystkich pokojach dziesięciopiętrowego budynku biurowego, człowiek ledwo będzie w stanie dostrzec jego istnienie, stojąc w jednym z pokoi. Gdyby jednak ten sam gram kwasu masłowego został rozcieńczony, aby wypełnić powietrze nad całym Hamburgiem, pies mógłby nadal postrzegać go na wysokości 300 stóp (ponad 90 m)” (William Syrotuck – „Scent and the Scenting Dog”).

To właśnie ta zręczność w wykrywaniu cząsteczek zapachowych może sprawić, że psy staną się naszymi sprzymierzeńcami w walce z wirusem, który zabił już ponad milion ludzi na świecie. Naukowcy od dawna wiedzą, że osoby chorujące na różnego rodzaju choroby wytwarzają specyficzny zapach, pozostawiając tzw. odcisk zapachowy (odor print), cechujący daną jednostkę chorobową. W zależności od typu infekcji i zaatakowanego przez nią organu wytwarzają się szczególne związki zapachowe charakteryzujące daną chorobę.

Psy, które wyszkolone zostały do rozróżniania wyuczonego zapachu, czyli mieszanki substancji lotnych typowych dla danej choroby, są w stanie wykryć i wskazać spośród szeregu próbek zapachowych właśnie te zainfekowane. Tego typu psy, szerzej znane jako medical detection dogs, wykorzystywane są do badań przesiewowych w chorobach takich jak nowotwory, malaria, choroby neurologiczne czy infekcje bakteryjne. Takie działania pozwalają na wczesną diagnozę pacjenta, zanim jeszcze wystąpią objawy choroby, a co za tym idzie, na wdrożenie leczenia na bardzo wczesnym etapie i często uratowanie zdrowia i życia osoby chorej.

Dziedzina detekcji zapachowej jednostek chorobowych wciąż ewoluuje, a jej koncepcja, czyli identyfikacja odcisków zapachowych znanych już, jak i nowo pojawiających się chorób, ma przysłużyć się do ich szybszego, mniej inwazyjnego oraz dokładniejszego wykrywania zarówno przez psy, jak i elektroniczne nosy, niż pozwalają na to obecnie dostępne formy testów klinicznych.

Założenie jest proste, ale czy sprawdzi się w praktyce?

Nie ma wątpliwości, że psy są świetnymi detektorami zapachów i potrafią bez wątpienia ustalić, czy dana próbka zapachowa jest skażona, czy nie, to jest, czy w danej próbce występuje zapach, który został psom wdrukowany do identyfikacji.

Niestety, wykorzystanie psów w detekcji tego typu zapachów ma również swoje wady. Wyszkolenie każdego z nich jest czasochłonne i bardzo kosztowne, podczas gdy zapotrzebowanie na tego typu pomoc jest na skalę światową – niezwykle pilne. Koszty zakupu, utrzymania oraz wyszkolenia psa, jak również czynniki takie jak czas potrzebny do osiągnięcia przez psa odpowiednich umiejętności, jego ograniczenia co do czasu, przez jaki może pracować, oraz względnie krótki czas życia psa – wszystko to sprawia, że pies nie jest ekonomicznym i spełniającym zapotrzebowanie narzędziem do przeprowadzania testów na skalę, z jaką obecnie mamy do czynienia.

Jednak wykorzystanie psów w tego typu badaniach, które łączą w sobie dyscypliny takie jak neurobiologia, chemia, nanotechnologia czy kognitywistyka, nawet jeżeli nie spełnia kryteriów wydajności na wielkoskalowe zapotrzebowanie na testy przesiewowe, ma z pewnością ogromną wartość akademicką. Odgrywa bowiem inną, bardzo ważną rolę, a mianowicie pozwala na coraz lepsze poznanie i zrozumienie sposobu działania i funkcjonowania zmysłu węchu, czyli dziedziny, która cały czas ma przed nami swoje nieodkryte jeszcze tajemnice. Zgłębiając bowiem możliwości węchowe psów i ucząc się ich przy okazji prowadzenia różnego rodzaju badań z zakresu detekcji, naukowcy są w stanie tworzyć coraz lepsze, czulsze i wydajniejsze elektroniczne nosy, których zadaniem ma być identyfikacja wskazanych cząsteczek zapachowych, reprezentujących odcisk zapachowy danej choroby w badanej mieszance zapachowej.

Zrozumienie, w jaki sposób mózg „koduje zapach”, czyli rozpoznaje daną woń i rozróżnia ją spośród innych, może zrewolucjonizować inne dziedziny badań, w tym uczenie maszynowe czy tworzenie sztucznej inteligencji. Tak jak nasze rozumienie wizualne pozwoliło na stworzenie technologii rozpoznawania twarzy, tak zrozumienie funkcjonowania zmysłu węchu i rozpoznawania zapachów przez psy może przyczynić się do udoskonalenia technologii elektronicznego wykrywania zapachów, czyli elektronicznego nosa.

Docelowo tak skonstruowane czujniki elektroniczne, czyli elektroniczne nosy, miałyby zastąpić psy, szczególnie w warunkach klinicznych i laboratoryjnych, gdzie obecność psów może być problematyczna z uwagi na konieczność zachowania sterylnych warunków i higieny pracy.

Elektroniczne nosy mają też przewagę nad psami z innych względów: nie wymagają opieki instruktorów i trenerów ani regularnego treningu, nie mają ograniczeń czasowych, jeśli chodzi o czas i możliwości pracy, nie potrzebują specjalnej opieki, która wiąże się z utrzymaniem psów pracujących. Dodatkowo odchodzi problem etyczny wykorzystania psów w tego typu pracy, związany z możliwością przeniesienia choroby odzwierzęcej, takiej jak nowy koronawirus, na psa.

Postęp naukowy w szeregu dziedzin, w tym nanotechnologii, nauk biomolekularnych i robotyki, jak również coraz lepsze zrozumienie dla funkcjonowania zmysłu węchu i rozróżniania zapachów mogą sprawić, że w niedalekiej przyszłości powstaną odpowiednio czułe i skalibrowane na specyficzne testy elektroniczne nosy, które pozwolą na zastąpienie psów przynajmniej w warunkach laboratoryjnych. Wykorzystanie zatem badań z udziałem psów w celach akademickich ma niewątpliwie ogromną wartość, jednak niekoniecznie mogą one sprawdzać się na polu praktycznym w wielkoskalowych badaniach przesiewowych.

Psy wykrywające koronawirusa na świecie

Podczas gdy jedne ośrodki naukowe skupiają się na prowadzeniu badań z udziałem psów w kierunku detekcji koronawirusa w warunkach laboratoryjnych, coraz więcej krajów zaczęło już wykorzystywać psy do pracy w terenie.

Przykładem może posłużyć Dubaj, gdzie w połowie sierpnia 2020 roku rozlokowano pierwsze psy do przesiewowego testowania pasażerów na tamtejszym lotnisku.

Pasażerowie, wybierani losowo i wyrażający zgodę na wykonanie testu, mają pobierane przez lekarzy próbki zapachowe poprzez wymaz potu z pach. Próbki te są poddawane testom z udziałem psów w oddzielnym, odpowiednio przygotowanym do tego pomieszczeniu, pasażerowie zatem nie mają bezpośredniej styczności z psami. Wyizolowanie środowiska do pracy dla psów spowodowane jest potrzebą zapewnienia neutralnego i spokojnego miejsca pracy. Eliminuje też problem potencjalnej niechęci części pasażerów do styczności z psami powodowanej lękiem przed nimi, ewentualnymi alergiami czy też pobudkami religijnymi, szczególnie w krajach islamskich.

Według Dominique’a Grandjeana, profesora krajowej szkoły weterynaryjnej w Alfort we Francji i szefa międzynarodowego zespołu badawczego, który swój projekt wyszkolenia pierwszej grupy psów do detekcji koronawirusa rozpoczął we Francji w marcu 2020 roku, psy w Dubaju mają około 94,5 procent dokładności w identyfikacji badanych próbek.

W Europie pierwszym krajem, który rozpoczął pracę z psami poza laboratorium, jest Finlandia. We wrześniu 2020 roku na lotnisku Helsinki-Vantaa zespół 15 psów wraz z 10 instruktorami rozpoczął akcję przeprowadzania testów przesiewowych na pasażerach w ramach projektu badawczego prowadzonego przez Uniwersytet w Helsinkach pod przywództwem profesor Anny Hielm-Bjorkman.

Psy te są częścią projektu pilotażowego, którego celem jest zapewnienie bezpieczeństwa wśród pasażerów i zmniejszenie rozprzestrzeniania się COVID-19. Potrwa on prawdopodobnie do lata 2021 roku.

Według szefów projektu psy zapewniają tanią, szybką i skuteczną alternatywną metodę testowania ludzi na obecność wirusa. Około 100 podróżujących dziennie i 2200 miesięcznie czeka w kolejce do testu od momentu ustawienia stoiska do wolontaryjnego oddawania próbek we wrześniu 2020 roku.

Testy wykazały prawie 100% dokładność nawet na 5 dni przed pojawieniem się rzeczywistych objawów choroby. Koszt programu pilotażowego to około 300 000 euro (100 000 euro miesięcznie), czyli znacznie mniej niż w przypadku laboratoryjnych metod testowych, których koszt wynosi ok. 4 miliony euro miesięcznie, jednak wymaga stałego wsparcia finansowego ze strony uczelni i państwa.

Sama procedura testowania pasażerów jest podobna do tej mającej miejsce na lotnisku w Dubaju. Po odebraniu bagażu pasażerowie przybywający z zagranicy proszeni są o przetarcie skóry chusteczką. Próbka jest umieszczana w pojemniku, który jest następnie przenoszony do oddzielnego pomieszczenia, w którym odbywają się testy z udziałem psów.

Pojemnik z zapachem jest umieszczany wśród innych pojemników, które mogą zawierać zapachy rozpraszające oraz zapach kontrolny. Następnie pies podejmuje pracę – jego zadaniem jest wskazanie pojemnika z zapachem wirusa, jeśli takowy występuje. Jeśli pies wskaże obecność wirusa, to pasażerowi zaleca się wykonanie bezpłatnego standardowego testu na obecność koronawirusa (PCR) z użyciem wymazu z nosa w celu zweryfikowania wskazania psa. Werdykt psa nie jest bowiem ostateczny, każde pozytywne wskazanie musi zostać potwierdzone wykonaniem standardowego testu na obecność koronawirusa. Psy pracujące na lotnisku w celu wykrywania koronawirusa można również spotkać m.in. w Libanie.

Skuteczność psów w badaniach naukowych

Projekt badaczy dotyczący skuteczności wykorzystania psów szkolonych do detekcji koronawirusa prowadzi m.in. Uniwersytet w Pensylwanii, a jego wstępne wyniki wskazują, że psy dostarczają dokładniejszych wyników niż niektóre obecnie dostępne testy COVID-19 oparte na technikach molekularnych. Informują również, że psy mogą wykryć obecność wirusa, zanim pacjenci wykażą jakiekolwiek objawy. Naukowcy doszli do tego wniosku po tym, jak psy wykryły obecność COVID-19 w próbkach pobranych od osób, które wcześniej uzyskały wynik negatywny. Po tym, jak naukowcy poprosili tych dawców o ponowne przebadanie się za pomocą standardowych metod testowania, wszystkie testy okazały się pozytywne.

Nad podobnymi projektami pracują również naukowcy z takich krajów jak Australia, Francja, Niemcy i Wielka Brytania, i raportują oni zbieżne wyniki. Naukowcy zaangażowani w te badania sugerują, że psy mogą pomóc w opanowaniu pandemii, ponieważ mogą badać setki ludzi na godzinę w dużych obiektach i miejscach publicznych, takich jak lotniska i stadiony, środki transportu, szpitale, szkoły czy domy opieki, są tańsze i szybsze w prowadzeniu niż konwencjonalne metody testowania. Naukowcy pracujący nad wykorzystaniem psów w walce z koronawirusem zgodnie twierdzą też, że nie chodzi o całkowite zastąpienie tradycyjnych testów laboratoryjnych psami, a o usprawnienie, przyśpieszenie i redukcję kosztów powszechnych testów przesiewowych poprzez równoległe wykorzystanie pracy psów.

Jednak większość z prowadzonych badań nad skutecznością pracy psów w tej dziedzinie nie została jeszcze zweryfikowana ani opublikowana, co utrudnia szerszej społeczności naukowej ocenę ich wyników. Naukowcy pracujący nad bardziej konwencjonalnymi testami wirusowymi twierdzą, że wstępne wyniki z grup psów są intrygujące i obiecujące, ale niektórzy zastanawiają się, czy proces można skalować do poziomu, który pozwoliłby zwierzętom wywrzeć znaczący wpływ w opanowaniu pandemii i zmniejszeniu rozprzestrzeniania się wirusa, i sugerują kontynuację badań na większej liczbie próbek w celu obiektywnej oceny wyników prowadzonych badań.

Zapach choroby

Już Hipokrates, „ojciec nowoczesnej medycyny”, w swych zapisach z 400. roku pisał o charakterystycznym zapachu plwociny i moczu osób cierpiących na pewne choroby. Ocena zapachu może służyć zarówno jako wsparcie diagnostyczne dla lekarzy, jak i wskazówka dla człowieka, że należy się zbadać, jeśli nasz oddech czy mocz zaczyna inaczej niż zwykle pachnieć. Zmiany zapachu mogą bowiem być objawem poważnych chorób, jak chociażby cukrzyca, która nadaje moczowi słodkawy zapach, czy braki witaminy C w organizmie objawiające się zapachem zgnilizny w pocie człowieka.

Ciało ludzkie nieustannie wydziela zapach, czyli cały bukiet substancji chemicznych (lotnych związków organicznych) uwalniany poprzez wydzieliny ciała, takie jak pot, ślina, mocz, krew, oddech czy martwy naskórek. Zapach ten będzie się zmieniał w zależności od przyrostu chorych komórek w ciele człowieka, jak ma to miejsce w przypadku nowotworów, lub też ich obumierania, jak to może mieć miejsce w przypadku infekcji wirusowej. Należy zatem pamiętać, że psy „wykrywające koronawirusa” de facto nie wykrywają zapachu wirusa, a zapach obumierających komórek wskutek infekcji koronawirusem.

Naukowcy nie mają pewności, co dokładnie czują psy i na bazie jakich cząsteczek zapachowych identyfikują chorobę, są natomiast zgodni, że psy są w stanie rozróżnić zapach zdrowej próbki zapachowej od tej zainfekowanej. Brak możliwości wskazania konkretnych molekuł zapachowych, wspólnego mianownika odpowiedzialnego za identyfikację próbki jako chorej, z jednej strony uniemożliwia stworzenie elektronicznego odpowiednika do węchowego rozpoznawania obecności koronawirusa, a z drugiej, po raz kolejny pokazuje, że w sprawach węchowych musimy umieć zaufać naszym czworonożnym kompanom. Te potrafią natomiast zaskoczyć swoimi wskazaniami. Zdarza się bowiem, że psy próbkę oznaczoną jako negatywną oznaczają jako pozytywną.

Taka sytuacja miała miejsce w grupie badawczej z Pensylwanii, gdzie pies oznaczył próbkę moczu, która uznana była za próbkę negatywną. Początkowo wzięto to za błąd psa, jednak po zweryfikowaniu tego wskazania innymi psami, które również oznaczyły próbkę jako pozytywną, prowadzący udali się do szpitala, skąd pochodziła próbka, w celu uzyskania większej ilości informacji. Okazało się, że pochodziła ona od pacjenta, który wcześniej przeszedł infekcję koronawirusem i jej ślad zapachowy nadal utrzymywał się w jego moczu. Ta niezwykła czułość psiego nosa może stanowić zatem niezwykle skuteczną pomoc w diagnostyce, z drugiej strony zaś, w połączeniu z brakiem wiedzy o tym, co psy dokładnie czują, może okazać się problematyczna, gdy psie nosy okażą się „czulsze” w swojej ocenie od standardowych testów.

Przyszłość psów w rozpoznawaniu chorób

Psy wyszkolone do detekcji koronawirusa, bez względu na to, czy ostatecznie okażą się tajną bronią w walce z pandemią, czy też nie, na pewno zwróciły uwagę świata, zarówno naukowego, jak i opinii publicznej, na potencjał w nich drzemiący. Wszelkie projekty badawcze oraz pilotażowe badania w terenie dotyczące możliwości wyszkolenia psów i użycia ich na szeroką skalę do walki z wirusem, które mają obecnie miejsce, pozwolą nie tylko na lepsze zrozumienie możliwości węchowych psów i wykorzystanie ich w celach akademickich, ale także na opracowanie odpowiednich systemów wykorzystania tych zwierząt do tego typu testów przesiewowych w terenie, aby faktycznie były one wydajne i efektywne. Pandemia koronawirusa pozwoliła wielu ośrodkom badawczym na nowo podjąć tematy związane z możliwościami węchowymi psów, które do tej pory nie były tematami priorytetowymi lub też brakowało na nie funduszy.

Prowadzone badania z udziałem psów stawiają przed naukowcami wiele wyzwań, pokazują, jak wiele mamy jeszcze do odrobienia w szerokiej i trudnej dziedzinie percepcji węchowej, aby swoimi wynalazkami móc dorównać osiągom nosa psa. Niemniej asysta naszych czworonożnych przyjaciół krok po kroku nas do tego celu przybliża. Rezultaty tych działań pozwolą na udoskonalenie obecnych procedur z wykorzystaniem psów zarówno przy detekcji koronawirusa, jak i innych chorób, oraz przyśpieszą prace nad nowoczesnymi elektronicznymi nosami i umożliwią nam lepszą obronę w przyszłości przed potencjalnymi, nowymi wirusami.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!