Содержание статьи:
Ежегодно тысячи дорожных происшествий в России и других странах связаны с усталостью водителей, но у сотрудников дорожной полиции до сих пор нет объективного инструмента для проверки степени утомления. Алкогольное опьянение фиксируется стандартным алкотестером за пару минут, а нехватку сна приходится определять по словам нарушителя или косвенным признакам: покрасневшим глазам, замедленной реакции. Группа криминалистов и фармакологов из Цюрихского университета нашла выход — они доказали, что полная бессонная ночь меняет химический состав слюны, и этот отпечаток можно выявить с точностью до 96 процентов. Результаты работы опубликованы в «Журнале исследований протеома».
Как ученые искали маркеры усталости в слюне
Руководители проекта Михаэль Шольц и Томас Кремер поставили цель найти биологические биомаркеры острой нехватки сна. Ранее подобные поиски велись преимущественно в крови, но этот метод не подходит для проверки на дорогах: забор крови требует медицинского персонала, оформления документов и занимает много времени. Ротовая жидкость в этом плане гораздо удобнее — ее можно собрать за пару минут с помощью ватного тампона, без участия врачей и сложных процедур. К тому же, забор крови часто вызывает у людей страх перед иглами, что может привести к отказу от проверки, а слюну можно собрать без любых неприятных ощущений.
Ученые выбрали метод метаболомики: он позволяет изучать малые молекулы-метаболиты, которые остаются в биологических образцах после работы клеток. Каждый раз, когда организм тратит энергию, восстанавливает ткани или реагирует на стресс, концентрация этих веществ меняется. Авторы исследования предположили, что экстремальная усталость изменит химический состав тела настолько, что появится узнаваемый «след» в ротовой жидкости. По словам Томаса Кремер, профессора судебной фармакологии и токсикологии института судебной медицины Цюрихского университета, это исследование предоставило первые прямые биомаркеры недосыпа в слюне в реалистичных условиях — важную веху для криминалистических исследований.
Особенности проведения клинического испытания
В испытании приняли участие двадцать здоровых мужчин в возрасте около двадцати четырех лет с нормальным весом. Статистика показывает, что именно эта группа чаще всего попадает в аварии из-за недосыпа. Все добровольцы привыкли спать по семь-девять часов в сутки, у них не было выраженного предпочтения к раннему или позднему пробуждению. Каждый из участников прошел предварительное медицинское обследование, чтобы исключить скрытые заболевания, влияющие на сон.
Исследование построили по схеме перекрестного рандомизированного испытания: каждый участник прошел три этапа в случайном порядке, между которыми делал перерыв не менее недели для восстановления обычного режима сна. Этапы имитировали реальные ситуации, с которыми сталкиваются водители и сотрудники опасных производств, где ошибка из-за усталости может привести к тяжелым последствиям.
- Контрольный этап: участникам разрешали спать восемь часов в сутки;
- Полная бессонница: мужчины не спали целые сутки, оставаясь бодрствующими более двадцати четырех часов подряд;
- Ограничение сна: добровольцы четыре ночи подряд спали по шесть часов в сутки, накапливая такой же дефицит сна, как и в случае полной бессонницы.
Во время каждого этапа исследователи собирали образцы нестимулированной слюны в заранее определенное время. Участники клали ватный тампон под язык на две минуты, не пережевывая его, чтобы избежать загрязнения образцов. Всего за время каждого этапа собрали несколько десятков проб от каждого участника, чтобы исключить случайные погрешности. Для учета естественных биоритмов ученые замеряли уровень мелатонина у добровольцев в условиях слабого освещения — это позволило соотнести результаты с внутренними часами каждого человека.
Результаты анализа биологических образцов
Собранные образцы проанализировали с помощью жидкостной хроматографии с высокоразрешающей масс-спектрометрией. Этот метод разделяет сложные смеси химических веществ и идентифицирует их по массе и электрическому заряду. В итоге исследователи получили массив данных из более чем шести тысяч молекулярных признаков. На обработку этих данных ушло несколько месяцев непрерывной работы серверов университета.
Чтобы обработать такой объем информации, применили алгоритмы машинного обучения — логистические регрессионные модели, которые классифицируют неизвестные образцы слюны по трем категориям: полноценный сон, полная бессонница, ограниченный сон. Алгоритм распознавал паттерны в метаболических данных без сравнения с базовым образцом того же человека — это критически важно для реальной работы полиции, где базовые пробы почти никогда нет под рукой. Модели обучали на 80 процентах данных, а оставшиеся 20 использовали для проверки точности — именно так получили показатель в 96 процентов.
По словам первого автора исследования Михаэля Шольца, острая нехватка сна затрагивает около 10 процентов всех биомолекул в слюне. Сложнее всего было выделить из десятков тысяч молекул те, которые надежно указывают на усталость. С помощью современных технологий нам удалось найти всего десять-двенадцать биомаркеров, которые делают именно это.
Анализ показал, что полная бессонная ночь создает уникальный и четко выраженный метаболический отпечаток. Модель машинного обучения определяла полную нехватку сна с точностью 96 процентов: если алгоритм помечал образец как взятый у уставшего человека, ошибка случалась лишь в четырех случаях из ста. Этот показатель сопоставим с точностью стандартных алкотестеров, используемых сотрудниками ГИБДД.
Точность теста зависела от времени суток. Различия между отдохнувшими и уставшими участниками были максимальными утром и в середине дня. К вечеру химические подписи начинали сближаться: скорее всего, естественные циркадные ритмы, вызывающие сонливость в темное время суток, временно маскировали специфические маркеры долгого бодрствования. Это значит, что лучшее время для проведения теста — первая половина дня, когда водители чаще всего садятся за руль после бессонной ночи.
Почему тест не сработал на частичный недосып
Интересно, что накопленный дефицит сна при ограниченном режиме (шесть часов в сутки в течение четырех ночей) не привел к заметным изменениям в метаболоме. Алгоритм не смог надежно отличить тех, кто спал по шесть часов, от тех, кто спал по восемь. Это значит, что организм по-разному реагирует на внезапную резкую бессонницу и на умеренный хронический недосып.
Авторы исследования полагают, что для появления специфического метаболического отпечатка при регулярном недосыпе требуется гораздо больший накопленный дефицит сна. Шесть часов в сутки — это мало, но организм успевает частично адаптироваться к такому режиму, не выдавая резких химических сигналов. Хронический недосып гораздо более распространен среди работающего населения, чем разовая бессонная ночь, поэтому доработка теста для этого случая остается приоритетной задачей для ученых.
Перспективы внедрения нового метода проверки
Возможность выявить двадцать четыре часа непрерывного бодрствования крайне важна для правоохранительных органов. В ряде регионов, например в штате Нью-Джерси в США, вождение после суток без сна приравнивается к неосторожному вождению. Модели, разработанные в ходе исследования, теоретически позволяют применять такие правовые нормы, предоставляя объективные доказательства сильного утомления. Полицейский сможет взять мазок слюны у водителя прямо на месте аварии и получить результат через несколько минут.
По словам Михаэля Шольца, такой тест повысит безопасность на дорогах и на рабочих местах, где критически важны внимание и концентрация — например, на стройках, в авиации и на транспорте. Несмотря на многообещающие результаты, у исследования есть ряд ограничений, которые предстоит устранить в будущем.
- В текущем испытании участвовали только здоровые молодые мужчины с регулярным режимом дня. В будущем нужно проверить маркеры у женщин, пожилых людей, людей с разным хронотипом и нарушениями сна, чтобы подтвердить универсальность результатов;
- Биомаркеры нужно проверить в реальных условиях: изучить, как на метаболом слюны влияют сменная работа, разный рацион, употребление алкоголя и рецептурных лекарств, которые могут исказить результаты теста;
- Необходимо установить точную химическую структуру и названия десяти-двенадцати ключевых метаболитов, которые выявили ученые.
Важно также различать биологическую нехватку сна и функциональное нарушение. Созданные модели определяют физиологическое состояние человека, который не спал сутки, но это не всегда коррелирует с индивидуальным когнитивным снижением. Устойчивость к недосыпу у всех разная: у одних людей химические маркеры усталости появляются, а работоспособность остается нормальной, у других критическое снижение реакции наступает уже после нескольких часов нехватки сна. Тест сможет подтвердить только факт долгого бодрствования, но не заменит проверку реакции сотрудника полиции.
Исследование стало первым шагом к созданию неинвазивного инструмента для объективной проверки утомления. Ученые доказали, что метаболомика позволяет выявить острую бессонницу без сравнения с базовыми образцами, что открывает путь к созданию портативных тестов для полиции и работодателей. В ближайшие годы доработка метода и устранение текущих ограничений могут сделать такие проверки обычной практикой, что поможет снизить число аварий и несчастных случаев на производстве.