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Der Geruch der Krankheit: 5 beantwortete Fragen zum Einsatz von Hunden – und Mäusen und Frettchen – zur Erkennung von Krankheiten
Der Geruch der Krankheit: 5 beantwortete Fragen zum Einsatz von Hunden – und Mäusen und Frettchen – zur Erkennung von Krankheiten
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Glen J. Golden, Colorado State University

Anmerkung der Redaktion: Während sich COVID-19 weltweit weiter verbreitet, analysieren Wissenschaftler neue Möglichkeiten, es zu verfolgen. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, Hunde so auszubilden, dass sie Menschen erkennen, die sich durch den Geruch von menschlichen Urin- oder Schweißproben infiziert haben. Der Forscher Glen Golden, der Hunde und Frettchen darauf trainiert hat, die Vogelgrippe bei Vögeln zu erkennen, erklärt, warum bestimmte Tiere gut geeignet sind, Krankheiten zu erschnüffeln.

1. Welche Arten haben ein Gespür für Krankheiten?

Manche Tiere haben einen hoch entwickelten Geruchssinn. Dazu gehören Nagetiere; Hunde und ihre wilden Verwandten, wie Wölfe und Kojoten; und Musteliden – fleischfressende Säugetiere wie Wiesel, Otter und Frettchen. Die Gehirne dieser Arten haben dreimal oder mehr funktionelle olfaktorische Rezeptorneuronen – Nervenzellen, die auf Gerüche reagieren – als Arten mit weniger ausgeprägten Riechfähigkeiten, einschließlich Menschen und anderer Primaten.

Diese Neuronen sind dafür verantwortlich, flüchtige Geruchsstoffe zu erkennen und zu identifizieren, die aussagekräftige Signale aussenden, wie zum Beispiel Rauch von einem Feuer oder das Aroma von frischem Fleisch. Flüchtig ist ein Stoff, wenn er bei niedrigen Temperaturen leicht von flüssig in gasförmig übergeht, wie das Aceton, das dem Nagellackentferner seinen fruchtigen Geruch verleiht. Sobald es verdampft, kann es sich schnell durch die Luft ausbreiten.

Wenn eines dieser Tiere einen bedeutungsvollen Geruch wahrnimmt, wird das chemische Signal in Botschaften übersetzt und durch sein Gehirn transportiert. Die Botschaften gehen gleichzeitig an den olfaktorischen Kortex, der für die Identifizierung, Lokalisierung und Erinnerung von Gerüchen verantwortlich ist, und an andere Gehirnregionen, die für Entscheidungen und Emotionen verantwortlich sind. Diese Tiere können also viele chemische Signale über große Entfernungen erkennen und können schnelle und genaue mentale Assoziationen über sie herstellen.

2. Wie wählen Forscher einen Zielduft aus?

In den meisten Studien, in denen Hunde zur Erkennung von Krebs verwendet wurden, haben die Hunde physische Proben wie Haut, Urin oder Atem von Patienten identifiziert, bei denen entweder Krebs diagnostiziert wurde oder bei denen Krebs in einem frühen Stadium nicht diagnostiziert wurde. Wissenschaftler wissen nicht, welchen Geruchshinweis die Hunde verwenden oder ob er je nach Krebsart variiert.

Das National Wildlife Research Center des US-Landwirtschaftsministeriums in Colorado und das Monell Chemical Senses Center in Pennsylvania haben Mäuse trainiert, um Vogelgrippe in Kotproben infizierter Enten zu erkennen. Vogelgrippe ist in wilden Herden schwer zu erkennen und kann sich auf den Menschen ausbreiten. Daher soll diese Arbeit Wildbiologen bei der Überwachung von Ausbrüchen helfen.

Das Kimball-Labor in Monell lehrte die Mäuse, eine Belohnung zu erhalten, wenn sie eine bestätigte positive Probe von einem infizierten Tier riechen. Mäuse tranken beispielsweise Wasser, wenn sie den Arm eines Y-förmigen Labyrinths hinuntergingen, das den Kot einer mit dem Vogelgrippevirus infizierten Ente enthielt.

Durch die chemische Analyse der Kotproben fanden die Forscher heraus, dass sich die Konzentration flüchtiger chemischer Verbindungen in ihnen änderte, wenn eine Ente mit der Vogelgrippe infiziert wurde. Daraus schlossen sie, dass die Mäuse dieses veränderte Geruchsprofil erkannten.

Aufbauend auf dieser Arbeit haben wir in einer gemeinsamen Studie zwischen der Colorado State University und dem National Wildlife Research Center, die derzeit zur Veröffentlichung geprüft wird, Frettchen und Hunde darauf trainiert, die Vogelgrippe bei Geflügel wie Wildenten und Haushühnern zu erkennen.

Bei Frettchen begannen wir damit, sie darauf zu trainieren, zu warnen oder zu signalisieren, dass sie den Zielgeruch erkannt hatten, indem wir an einer Schachtel kratzten, die hohe Anteile dieser flüchtigen Verbindungen enthielt, und Schachteln mit niedrigen Anteilen ignorieren. Als nächstes zeigten wir den Frettchen Kotproben von infizierten und nicht infizierten Enten, und die Frettchen begannen sofort, auf die Kiste mit der Kotprobe einer infizierten Ente aufmerksam zu machen.

Dieser Ansatz ähnelt der Art und Weise, wie Hunde darauf trainiert werden, bekannte flüchtige Gerüche in Sprengstoffen oder illegalen Drogen zu erkennen. Manchmal müssen wir jedoch das Detektortier bestimmen lassen, auf welches Geruchsprofil es reagiert.

3. Können Tiere darauf trainiert werden, mehr als ein Ziel zu erkennen?

Jawohl. Um Verwirrung darüber zu vermeiden, was ein trainiertes Tier wahrnimmt, können wir ihm für jeden Zielgeruch eine andere Verhaltensreaktion beibringen.

Zum Beispiel reagieren die Hunde im Wildlife Services-Programm zur Erkennung von Hundekrankheiten des US-Landwirtschaftsministeriums mit einer aggressiven Warnung, wie z. B. Kratzen, wenn sie eine Probe einer mit Vogelgrippe infizierten Ente entdecken. Wenn sie eine Probe eines Weißwedelhirsches entdecken, die mit dem Prion infiziert ist, das die chronische Auszehrungskrankheit verursacht, reagieren sie mit einem passiven Alarm, wie z. B. Sitzen.

Untersuchungen an der University of Auburn haben gezeigt, dass sich Hunde während einer Geruchsgedächtnisaufgabe an 72 Gerüche erinnern und darauf reagieren können. Die einzige Einschränkung besteht darin, wie viele Arten ein Hund über verschiedene Geruchshinweise kommunizieren kann.

4. Welche Faktoren können diesen Prozess erschweren?

Erstens benötigt jede Organisation, die Tiere zum Erkennen von Krankheiten ausbildet, die richtige Art von Labor und Ausrüstung. Je nach Krankheit kann dies persönliche Schutzausrüstung und Luftfilterung umfassen.

Eine weitere Sorge ist, ob der Erreger die Nachweistiere infizieren könnte. Wenn dies ein Risiko darstellt, müssen die Forscher die Proben möglicherweise inaktivieren, bevor sie die Tiere aussetzen. Dann müssen sie sehen, ob dieser Prozess die flüchtigen Stoffe verändert hat, die sie den Tieren beibringen, mit der Infektion in Verbindung zu treten.

Schließlich müssen die Hundeführer darüber nachdenken, wie sie die gewünschte Reaktion von Detektionstieren im Feld verstärken können. Wenn sie in einer Population von meist nicht infizierten Menschen arbeiten – zum Beispiel auf einem Flughafen – und ein Tier keine Chance bekommt, eine Belohnung zu verdienen, kann es das Interesse verlieren und aufhören zu arbeiten. Wir suchen nach Tieren, die einen starken Drang haben, ohne Unterbrechung zu arbeiten, aber lange Zeit ohne Belohnung zu arbeiten kann selbst für das motivierteste Tier eine Herausforderung sein.

5. Warum nicht eine Maschine bauen, die dies kann?

Im Moment haben wir keine Geräte, die so empfindlich sind wie Tiere mit einem gut entwickelten Geruchssinn. Zum Beispiel ist der Geruchssinn eines Hundes mindestens 1.000 Mal empfindlicher als jedes mechanische Gerät. Dies könnte erklären, warum Hunde Krebs in Gewebeproben entdeckt haben, die medizinisch als nicht krebserregend geklärt wurden

Wir wissen auch, dass Frettchen eine Vogelgrippe-Infektion in Kotproben erkennen können, bevor und nachdem Laboranalysen zeigen, dass das Virus nicht mehr ausgeschieden wird. Dies deutet darauf hin, dass es bei einigen Krankheitserregern zu Veränderungen der flüchtigen Bestandteile bei infizierten, aber asymptomatischen Personen kommen kann.

Wenn Wissenschaftler mehr darüber erfahren, wie der Geruchssinn von Säugetieren funktioniert, haben sie eine bessere Chance, Geräte zu entwickeln, die so empfindlich und zuverlässig beim Aufspüren von Krankheiten sind.

Die Unterhaltung

Glen J. Golden, Wissenschaftlicher Mitarbeiter/Stipendiat I, Colorado State University

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