Dosadašnja merenja koncentracije alergena u vazduhu obaveštavala su nas o tome čemu smo bili izloženi u datom momentu. Ako nam je poznata količina polena kojoj smo bili izloženi, to nam može pomoći da uvidimo da li je terapija koju nam je lekar propisao efikasna. Međutim, viši naučni saradnik Instituta BioSens u Novom Sadu, dr Branko Šikoparija, ističe: „Kad već znate da ste alergični, to što ste bili izloženi može samo da potvrdi razlog vaših alergijskih simptoma.“ On smatra da bi bilo idealno ukoliko bi svako imao svoj dozimetar kako bi tačno utvrdio količinu polena koja izaziva simptom i naglašava da je to svakako nešto čemu se teži. Ipak, imajući u vidu dominantan i jedini normom prihvaćen postupak merenja koncentracije alergena u vazduhu, Hirstov metod, ova solucija nije realna – barem za sada.
Ljudi su počeli da traže nove načine kako bi u realnom vremenu identifikovali polen. Ispostavilo se da uzorkovanje čestica ne predstavlja tako veliki problem. Najveći izazov za naučnike jeste da identifikuju i klasifikuju čestice koje se nalaze u vazduhu. Grupa istraživača sa Institut Biosens u Novom Sadu i Instituta za interdisciplinarna istraživanja u Beogradu uveliko radi na rešavanju ovog problema, a dr Šikoparija u razgovoru za Elementarijum do detalja objašnjava šta je do sada učinjeno na ovom polju i na kakve prepreke istraživači nailaze tokom svojih kompleksnih istraživanja.
Šta sve može da izazove alergijsku reakciju?
Alergijska reakcija je imunski odgovor organizma, a kako će imunski sistem reagovati, zavisi od brojnih faktora, pre svega onih unutrašnjih. Već dugo se traga za odgovorom na pitanje zašto je sve više onih koji ispoljavaju alergijske reakcije, kako u svetu tako i u Srbiji.
„Jedna od hipoteza jeste da urbanizacija i sve veća distanca od prirode zbunjuju imunski sistem“, ističe dr Šikoparija.
U prilog ovoj tezi idu i rezultati ispitivanja vršenog u jednoj zajednici Amiša, koji su u stalnom kontaktu sa prirodom, životinjama, ali i parazitima – npr. crevnim. Pokazalo se da oni imaju manji procenat alergičnih osoba u odnosu na ostatak stanovništva.
„Pojednostavljeno, alergijska reakcija je greška imunskog sistema koja ima zadatak da nas zaštiti. Neke supstance koje nas ne ugrožavaju, izazovu reakciju imunskog sistema koja napravi problem. E sad, neko jeste skloniji da dobije alergijsku reakciju. To je, takozvana, atopična populacija. Ako je od dva roditelja jedan atopičan, postoji značajna šansa da dete bude atopično.“
Zanimljivo je da alergijskim reakcijama ne podležu samo ljudi. Psi, mačke, pa i konji su, na primer, takođe alergični na polen. A čak i kod životinja se vidi tendencija uticaja urbanizacije, pa su kućni ljubimci skloniji alergiji od divljih životinja. Mi dolazimo u kontakt sa alergenima na različite načine: kada nešto pojedemo, ako nešto udahnemo, ukoliko nešto dodirnemo. Ovo pokreće složen imunski odgovor, a ćelije imunskog sistema otpuštaju supstance koje dovode do inflamacije, tačnije do zapaljenja određene oblasti. Nakon što lekaru saopštimo koji su to simptomi koji nam zadaju muke, on će nas najpre podvrgnuti testiranju. Tako će uvideti kako naš organizam reaguje na različite alergene.
„Dominantan inhalatorni alergen jesu grinje zato što ih ima u zatvorenom prostoru i jednostavno ih ima svuda, naročito tamo gde je vlažnost veća. Kućna prašina nije sama po sebi problem, problem su neke supstance u prašini. U kućnoj prašini najdominantniji alergen jesu baš ekskrementi grinja.“
Neko je, sa druge strane, alergičan na pčelinji otrov, a neko na mačke. Zapravo, alergičan je na proteine urina mačke ili proteine pljuvačke.
„Ako kažete lekaru ’Ja imam problem tokom cele godine i cele godine slinim, kašljem i imam tegobe’, onda lekar posumnja da ste izlože- ni nekom alergenu tokom čitave godine. U tom slučaju, najčešće ste izloženi nečemu u vašoj kući. I onda lekar zaključi da se najverovatnije radi o alergenu unutrašnje sredine.“
Međutim, ukoliko imate problem samo u određenom delu godine, recimo u periodu kada se kosi trava, najverovatnije je u pitanju alergen iz spoljašnje sredine. Prvi korak koji lekar preduzima jeste da sazna da li ste alergični na drveće, na trave ili na korove. Osnovna razlika između ovih alergena jeste period u kom se javljaju. Alergeni drveća su kod nas dominantni u proleće, ali i unutar ove grupe ima značajnih razlika.
„Tu sad postoji mnoštvo drveća koje emituje polen u vazduh i najverovatnije ste na neko od tog drveća alergični. Lekari vam onda kažu, kada se to nešto što vama izaziva alergiju nalazi u vazduhu, treba da izbegavate kontakt sa alergenima. To je prva premisa rešavanja problema alergije. Normalno, ako vam nešto pravi problem, izbegnite kontakt. Međutim, kada je u pitanju polen, to je gotovo nemoguće. Ne možete baš da izbegnete polen, osim ako nemate samo jedno drvo negde na kraju grada koje vam pravi problem, pa kad idete na posao, izbegnete taj put.“
Polen u vazduhu rezultat je cvetanja biljaka koje su prisutne u nekom regionu i one emituju polen zato što je to njihov prirodni proces razmnožavanja – to je proces ukrštanja muškog i ženskog genetičkog materijala. Svaki polen može da napravi problem, pa čak i polen kamilice ili polen ruže kada bi u velikoj količini došao u kontakt sa osetljivom osobom.
„Da bih ja stvarno znao čemu sam izložen, bilo bi veoma dobro da je neko to izmerio i rekao mi – u ovoj sezoni bio si izložen brezi već od trinaestog marta ili si u nekoj narednoj sezoni bio izložen od prvog aprila. Nekad se pratila fenologija. Kad vidim da cveta breza, ja znam da je počela sezona cvetanja breze i to je apsolutno tačno. Međutim, kad pratite fenologiju, vi najčešće pratite jedno, dva ili pet drveta breze koja su reprezentativna za dati region“, navodi dr Šikoparija i ukazuje na problem koji se javlja pri ovakvom postupku: „Region sa kojeg polen dospeva u vazduh i sa kojeg čovek može da bude izložen polenu u nekom gradu prilično je veliki. Taj polen koji mi detektujemo, recimo iznad Novog Sada, stiže iz različitih delova Evrope. Nekada stigne čak i iz Švedske.“ Zbog toga, dešava se da je u vazduhu ponekad prisutan i polen čiji izvori lokalno ne cvetaju.
Ipak, postavlja se pitanje koliko je relevantno merenje koje se standardno sprovodi na krovu. Takvo merenje, kao i merenje zagađenosti koje postoji na pojedinim saobraćajnicama, ne znači da su svi ljudi u tom gradu izloženi istoj količini zagađujućih materija. Sa tog aspekta, merenja u proseku daju informaciju o količini polena kojoj su ljudi izloženi i, što je još važnije, unapređuju modele koji će prognozirati koncentracije polena i dati nam informaciju šta će se desiti u budućnosti. Ali i prostorno. Jer model omogućava da se izračuna transport, pa samim tim i koncentracije u različitim tačkama jednog regiona. Sa aspekta korisnika, merenja u jednoj tački jesu korisna, ali su daleko od onoga što je idealno za nekog ko želi da razume čemu je tačno bio izložen.
Principi merenja i problemi
„Šta mene briga da l’ je kiša pala juče, pokisao sam. Mene zanima šta će biti, mene zanima prognoza“, slikovito prikazuje dr Branko Šikoparija jedan od najvećih problema sa kojim se suočavaju svi oni koji su alergični na polen.
Da bismo dobili tačnu prognozu, potrebno je najpre razviti kvalitetne sisteme za merenje. Prognostički modeli su čisto matematički modeli, koji uzimaju u obzir fizičke zakone. Merenja pomažu da se razumeju zakoni, ali i da se modeli usmere tako da bolje opišu realnost. Tako i u meteorologiji, asimilacija prognostičkog modela sa trenutno dostupnim merenjima temperature omogućavaju da prognoza temperature za neredni period ne odstupa značajno od stvarnosti. Dakle, kao i u meteorologiji, za prognozu koncentracije polena neophodna su merenja koja se uglavnom izvode u skladu sa standardom EN16868 klasičnom Hirstovom metodom:
„Hirstov metod je volumetrijski metod. On podrazumeva da uređaj usisa 10 litara vazduha u minutu. Iz tih 10 litara, metod omogućava zadržavanje svih čestica u vazduhu na nekom medijumu, koji se zatim analizira da bi se utvrdilo koje su čestice prisutne i koliko ih ima.“
Ljudi su od davnina uzimali uzorke zemljišta i utvrđivali koje vrste polena su tu prisutne. Kasnije se polen identifikovao za potrebe naftne industrije ili arheologije i to morfološki – na osnovu nekih odlika izgleda. Da bi uočili karakteristične iglice ili rupe, naučnici su morali da uzorak posmatraju kroz mikroskop. Isti princip se primenjuje i u identifikaciji polena koji je izdvojen iz uzorka vazduha.
„Ako malo razmislimo o ovom metodu – treba mi vreme da uzmem uzorak, treba mi vreme da uzorak pripremim za mikroskopsku analizu, treba mi vreme da izanaliziram uzorak i tek onda dobijem rezultat. Znači, u startu kasnim. Ako imam dnevni uzorak, kasnim minimum jedan dan“, navodi dr Šikoparija i zaključuje: „Hirstova metoda onemogućava brzu informaciju o koncentracijama polena u prethodnom satu ili u prethodnom danu.“
Sada su u igri novi metodi. Jedan od metoda je slikanje uzorka u realnom vremenu, koji zatim analizira neuralna mreža. Ako je slika dovoljno dobra i ako je referentni materijal kojim je kompjuterski model za klasifikaciju treniran adekvatan, onda je pomoću veštačke inteligencije moguće dosta dobro prepoznati čestice koje su prisutne u uzorku. Kod nas još nisu u upotrebi ovi mehanizmi, ali je zastupljen drugi princip koji se prvenstveno oslanja na snimanje fluorescence.
Kroz međunarodni projekat prekogranične saradnje RealForAll kupljen je moderan Rapid-E uređaj koji se nalazi na krovu Prirodno-matematičkog fakulteta u Novom Sadu. Ovaj uređaj snima fluorescencu čestica u određenom rasponu talasnih dužina:
„Očekuje se da, na osnovu rasipanja laserskog zraka, mogu da se razlikuju čestice koje su po morfologiji različite veličine, različitog oblika i različitog hemijskog sastava“, napominje dr Šikoparija.
Ipak, svako merenje ima probleme, pa tako ni Hirstov metod nije u potpunosti tačan – bilo na nivou uzorkovanja, bilo na nivou analize. Razlog za to je činjenica da dva naučnika koja analiziraju nešto mogu drugačije da identifikuju čestice. Tako i u slučaju modernih uređaja uvek može postojati varijabilnost u spektru čestica koje detektujemo , ali i varijabilnost između dva uređaja. Ako je jedan uređaj malo drugačije poravnat u odnosu na drugi, fluorescenca može malo da se razlikuje, pa je i to nešto što može da napravi problem prilikom klasifikacije.
Regionalni projekti
Spektar polena koji se potencijalno može detektovati na Balkanskom poluostrvu, od polovine marta do polovine maja, ogroman je. Samim tim, uređaj Rapid-E ima ozbiljne poteškoće da napravi razliku između sveg polena prisutnog u vazduhu, a da i ne pominjemo da je atmosfera puna i drugih bioloških čestica.
BioSens institut, Prirodno-matematički fakultet Novi Sad , Grad Osijek i Matematički fakultet Univerziteta u Osijeku odlučili su da udruže svoje resurse i znanja iz oblasti aerobiologije, analize podataka i klasifikacije čestica. Oni su kroz projekat RealForAll razvili sistem koji će građanima ponuditi informaciju o koncentracijama polena u vazduhu u realnom vremenu, a potom i valjanu prognozu.
„Iz tog projekta mi smo kupili dva uređaja, obezbedili infrastrukturu da se uređaji postave, da se instaliraju, da počnu da rade, razvili modele za klasifikaciju i to je krenulo da funkcioniše“, rekao je dr Šikoparija.
Međutim, kako je vreme proticalo, menjao se intenzitet lasera, a samim tim i signal koji je uređaj snimio 2020. godine razlikovao se od onog signala koji je zabeležen godinu dana ranije. Takođe, ispostavilo se da klasifikacija polena nije jednako uspešna na oba dostupna uređaja.
„Pokušavamo da u ovoj godini razrešimo taj problem kako bi merenja dugoročno bila apsolutno uporediva“, osvrnuo se naš sagovornik još jednom na projekat RealForAll i uveo nas u priču o BREATHE projektu, koji finansira Fond za nauku, a kojim on rukovodi.
Osnovna ideja projekta nagrađenog u okviru PROMIS programa jeste da se poboljša klasifikacija, tačnije da se unapredi kvalitet neuralnih mreža koje iz signala koje snima Rapid-E uređaj identifikuju polen. Važan aspekt projekta je i koncept koji se zove transfer learning, gde mladi istraživači sa Instituta BioSens u Novom Sadu i Instituta za interdisciplinarna istraživanja u Beogradu pokušavaju da nauče ponašanje uređaja, kako bi jedinstven model mogao da se primeni na svim uređajima tog tipa u Evropi. Rukovodilac BREATHE projekta naglašava da su oni PROMIS program Fonda za nauku, pre svega, shvatili kao program koji omogućava formiranje novih timova:
„Mi sa BioSensa se bavimo aerobiologijom, mašinskim učenjem, metodima veštačke inteligencije, a ekipa sa Instituta za interdisciplinarna istraživanja testira karakteristike polena u laboratoriji. Dakle, mi im dajemo uzorke polena, a oni pokušavaju da pod različitim uslovima izlože polen spektroflorimetru, laboratorijskom uređaju koji takođe meri fluorescencu kao i naš Rapid-E uređaj, ali je meri mnogo detaljnije. Na ovaj način očekujemo da otkrijemo koji deo signala fluorescence je najznačajniji za identifikaciju različitog polena. Praveći sinergiju, mi očekujemo da steknemo znanje koje će nam omogućiti dalju primenu informacionih tehnologija u aerobiologiji.“
Dr Šikoparija ističe da on i njegove kolege sa Instituta planiraju da sve ove tehnologije primene i u zaštiti bilja, tj. da pokušaju da smanje nekontrolisane preventivne tretmane pesticidima, koji su nažalost uobičajeni:
„Kako polen izaziva alergiju tako i spore iz vazduha izazivaju pojedine biljne bolesti. Ako se zna kada su spore prisutne, može se planirati najefikasniji tretman fungicidima.“
Za sada je najrealnije saznanja iz ove oblasti upotrebiti u zatvorenom prostoru, unutar staklenika i plastenika, gde je moguće kontrolisati stvarno prisustvo određenih spora. Pored toga što bi napredak na polju aerobiologije bio od neprocenjivog značaja za poljoprivrednike, isto tako nova otkrića bi mogla da se iskoriste i u zaštiti zdravlja radnika. Postoje specifične bolesti kojima su podložni pojedini radnici, kao što je, recimo, astma pekara, koji su stalno izloženi skrobu. Čitav spektar disciplina danas je u direktnoj vezi sa detekcijom bioaerosola, aerosola koji imaju biološko poreklo i imaju određene efekte na organizam, pa bi zato bilo dobro da znamo šta udišemo i u kojim količinama.