В Бразилии климат и другие антропогенные изменения окружающей среды ставят под угрозу многолетние усилия по борьбе с широко распространенным и изнурительным паразитарным заболеванием. Теперь партнерство между исследователями из Стэнфорда и Бразилии помогает проактивно прогнозировать эти воздействия.

Шистосомоз, распространяемый пресноводными улитками, поражает более 200 миллионов человек во многих тропических регионах мира. Он может вызывать боли в желудке и необратимые последствия, такие как увеличение печени и рак. Чиновники здравоохранения обеспокоены тем, что вырубка лесов, быстрое разрастание городов и изменение характера осадков, например, разрушительные наводнения в Бразилии в мае , могут кардинально изменить места, где улитки, а значит и паразит, могут процветать.

«С изменением климата более частые и интенсивные дожди повлияют на многие заболевания здесь, включая шистосомоз », — сказала Розели Туан, старший научный сотрудник Секретариата здравоохранения Сан-Паулу, где она более 30 лет проводила наблюдение и исследование шистосомоза в штате Сан-Паулу, Бразилия. «Понимание этих изменений — необходимая область науки для контроля заболевания в будущем».

Туан и ее бразильские коллеги сотрудничают с исследователями экологии болезней Стэнфорда, чтобы разработать модели, которые могут предсказать, как риск заболевания изменится в ответ на изменения окружающей среды. Их выводы были недавно опубликованы в Nature Communications и PLOS Global Public Health .

«Впервые нам удалось объединить такие инструменты, как данные долгосрочного наблюдения за улитками, со спутниковыми снимками , которые отслеживают расширение сельского хозяйства, рост городских территорий и климат с высоким разрешением по всем странам», — сказала Эрин Мордекай, доцент кафедры биологии в Школе гуманитарных и естественных наук и научный сотрудник факультета глобального здравоохранения в Стэнфордском центре инноваций в области глобального здравоохранения.

«С помощью этих инструментов мы можем с беспрецедентной точностью отобразить, как меняется среда обитания улиток — переносчиков шистосомоза по всей Бразилии, что поможет нам понять, где шистосомоз может появиться в следующий раз».

Мордехай руководил работой совместно с Джулио ДеЛео, который также является научным сотрудником факультета глобального здравоохранения и профессором океанологии и наук о системе Земли в Школе устойчивого развития имени Доэрра при Стэнфордском университете.

По словам Туана, который на протяжении четырех десятилетий изучал генетику и эволюцию улиток — переносчиков шистосомоза, сотрудничество помогло эпидемиологам и исследователям обновить свои парадигмы в отношении шистосомоза в Бразилии и расставить приоритеты в мероприятиях общественного здравоохранения с учетом изменений окружающей среды.

По ее словам , хотя у Бразилии есть шанс искоренить шистосомоз в некоторых частях страны благодаря улучшению санитарии и условий жизни, изменение климата и экономическое неравенство ставят под угрозу прогресс в других областях.

«Эти анализы впервые четко определили быстрорастущие неформальные поселения как в сельской местности, так и на окраинах городских центров как наиболее вероятную среду обитания улиток, а также потенциальные очаги передачи шистосомоза», — сказал Де Лео, который также является главным исследователем международной группы, поддерживаемой грантом Belmont Collaborative Forum. «Они открывают новые возможности для наблюдения за заболеваниями и вмешательства, которые могут снизить риск передачи шистосомоза».

Аэрофотоснимок полевого участка в Бразилии, где исследователи изучают среду обитания, подходящую для улиток, которые переносят шистосомоз, изнурительную забытую тропическую болезнь. Автор: Эндрю Чемберлин, De Leo Lab
Использование машинного обучения для прогнозирования риска будущих заболеваний
В 2021 году грант Belmont Forum/São Paulo Research Foundation и Stanford Global Health Seed Grant позволили экспертам по экологии болезней из Стэнфорда и Бразилии совместно разработать инструменты для прогнозирования воздействия изменений окружающей среды на улиток, распространяющих болезни.

В основе этих усилий лежит инструмент, называемый моделированием распространения видов. Он объединяет машинное обучение и данные дистанционного зондирования, такие как спутниковые снимки и крупномасштабные климатические модели, чтобы определить все места, где может жить вид, на основе того, где он был и не был обнаружен в прошлом. Затем модели могут предсказать, как изменения температуры, осадков и урбанизации повлияют на распространение видов в будущем.

И все же, когда Эли Синглтон, аспирантка Междисциплинарной программы Эмметта по окружающей среде и ресурсам Стэнфордского университета, решила построить такую ​​модель для улиток, она нашла мало информации, которая помогла бы ей решить, какая методология будет лучшей.

«Несмотря на то, что модели распределения видов становятся все более популярными инструментами, все еще остается много открытых вопросов о том, как лучше всего строить модели», — сказал Синглтон. «Я хотел создать ресурс, который мог бы информировать нашу команду об усилиях, а также быть полезным для исследователей, использующих эти методы по всему миру».

Исследование Синглтона сравнило модели, использующие различные методы машинного обучения, чтобы увидеть, какие из них могут наиболее точно предсказать, как виды улиток реагируют на изменения в окружающей среде. Она использовала обширные наборы данных с более чем 11 000 записей о местоположении улиток, собранных бразильскими учеными с 1992 по 2019 год.

Синглтон посмотрела, насколько точно модели предсказывают, где могут оказаться улитки, учитывая различные изменения климата, гидрологии, землепользования и типа почвы. Она проконсультировалась с местными экспертами, такими как Росели Туан, Антонио Мигель Виейра Монтейру из Национального института космических исследований Бразилии в Сау-Паулу, Бразилия, и Роберта Лима Калдейра из Фиокрус-Минас в Минас-Жерайс, Бразилия, которые использовали свой личный опыт, чтобы оценить точность полученных карт.

Синглтон сказала, что многие модели работали одинаково с точки зрения точности и достоверности, но они создали очень разные карты распространения улиток. «Было абсолютно необходимо иметь экспертные знания людей, которые хорошо знают эту область и работают в этой области много лет, чтобы иметь возможность прокомментировать, какая модель, по их мнению, лучше и почему», — сказала она.

Некоторые модели давали гораздо более широкие оценки того, какие области были благоприятны для улиток, в то время как другие были гораздо более строгими и узкими в своих прогнозах относительно того, где может находиться улитка. Оба типа моделей могут быть полезны при разных обстоятельствах, сказал Синглтон.

Например, в регионе с более ограниченными ресурсами для борьбы с шистосомозом более строгая модель может помочь определить приоритетные области — те области, где улитка почти наверняка будет обнаружена. С другой стороны, если страна хочет ликвидировать шистосомоз, чиновники могут выбрать более широкую модель, которая предсказывает все возможные места обитания улиток.

Исследователи обнаружили, что урбанизация в Бразилии может приводить к локальным изменениям в среде обитания видов улиток, которые переносят шистосомоз. Автор: Эли Синглтон
Отслеживание «движущейся цели»
Следующим шагом стало применение результатов Синглтона по эффективному картированию распространения видов для лучшего понимания того, как изменение климата и землепользования повлияло на распространение улиток в Бразилии.

Коллега Синглтона Кэролайн Глидден, старший научный сотрудник лаборатории Мордекая, руководила этим исследованием, будучи также научным сотрудником Стэнфордского института искусственного интеллекта, ориентированного на человека (Stanford HAI). Она обнаружила, что изменения, вызванные климатом, особенно в характере осадков, привели к широким сдвигам в ареале обитания улиток за последние 30 лет. Урбанизация, тем временем, привела к более локальным изменениям, таким как появление новых участков среды обитания, подходящих для улиток, в районах, где наблюдался значительный рост популяции.

По словам Глиддена, поскольку характер осадков меняется, а Бразилия переживает быстрые изменения в землепользовании, ожидается, что новые районы станут благоприятными для улиток, которые процветают в медленно текущих источниках пресной воды. К ним относятся дренажные канавы и каналы, например, те, которые связаны с орошением на мелких фермах.

«Общая тенденция заключается в том, что изменения окружающей среды не просто расширяют среду обитания улиток — они полностью меняют местоположение, делая шистосомоз движущейся целью для вмешательства и контроля со стороны общественного здравоохранения», — сказал Глидден. «Без этих анализов было бы очень сложно стремиться к искоренению шистосомоза в Бразилии».

Туан сказал, что исследование поможет органам здравоохранения определить приоритетные зоны ликвидации шистосомоза.

Глобальное влияние
Синглтон надеется, что их усилия по выявлению эффективных методов моделирования распространения видов помогут исследователям за пределами Бразилии прогнозировать риски трансмиссивных и экологически опосредованных заболеваний.

«Эти инструменты будут становиться все более ценными, поскольку мы стремимся понять, как популяции видов могут меняться с изменением климата и землепользования», — сказала она. «Я надеюсь, что эта статья поможет ученым, впервые столкнувшимся с этими методами, и станет тем ресурсом, который я искала в начале этого проекта».