W Brazylii zmiany klimatyczne i inne zmiany środowiskowe spowodowane przez człowieka zagrażają dziesięcioleciom wysiłków na rzecz walki z szeroko rozpowszechnioną i wyniszczającą chorobą pasożytniczą. Teraz partnerstwo między badaczami ze Stanford i Brazylii pomaga proaktywnie przewidywać te skutki.
Schistosomatoza, przenoszona przez ślimaki słodkowodne, dotyka ponad 200 milionów ludzi w wielu tropikalnych regionach świata. Może powodować bóle żołądka i nieodwracalne skutki, takie jak powiększenie wątroby i rak. Urzędnicy służby zdrowia obawiają się, że wylesianie, szybki rozrost miast i zmieniające się wzorce opadów deszczu – takie jak niszczycielskie powodzie w Brazylii w maju – mogą radykalnie zmienić miejsca, w których ślimaki, a zatem i pasożyt, mogą się rozwijać.
„Zmiany klimatyczne, częstsze i intensywniejsze deszcze wpłyną na wiele chorób tutaj, w tym schistosomatozę” – powiedziała Roseli Tuan, starsza badaczka w Sekretariacie Zdrowia São Paulo, gdzie prowadziła nadzór i badania nad schistosomatozą w stanie São Paulo w Brazylii przez ponad 30 lat. „Zrozumienie tych zmian jest niezbędnym obszarem nauki dla kontroli tej choroby w przyszłości”.
Tuan i jej brazylijscy koledzy współpracują z badaczami ekologii chorób ze Stanford, aby opracować modele, które mogą przewidzieć, jak ryzyko choroby zmieni się w odpowiedzi na zmiany środowiskowe. Ich odkrycia zostały niedawno opublikowane w Komunikacja przyrodnicza I PLOS Globalne Zdrowie Publiczne.
„Po raz pierwszy udało nam się połączyć narzędzia, takie jak długoterminowe zapisy nadzoru ślimaków, z obrazami satelitarnymi, które śledzą ekspansję rolnictwa, wzrost obszarów miejskich i klimat w wysokiej rozdzielczości w całych krajach” — powiedziała Erin Mordecai, adiunkt biologii w School of Humanities and Sciences oraz global health faculty fellow w Stanford Center for Innovation in Global Health. „Dzięki tym narzędziom możemy zmapować, jak siedlisko ślimaków przenoszących schistosomatozę zmienia się w całej Brazylii z niespotykaną dotąd precyzją, co pomaga nam zrozumieć, gdzie schistosomatoza może pojawić się następnym razem”. Mordecai współnadzorował pracę z Giulio DeLeo, który jest również global health faculty fellow oraz profesorem oceanów i nauk o systemie Ziemi w Stanford Doerr School of Sustainability.
Jak powiedział Tuan, który od czterech dekad bada genetykę i ewolucję ślimaka przenoszącego schistosomatozę, współpraca ta pomogła epidemiologom i badaczom zaktualizować paradygmaty dotyczące schistosomatozy w Brazylii i ustalić priorytety interwencji w zakresie zdrowia publicznego, biorąc pod uwagę zmiany w środowisku.
Dodała, że Brazylia ma szansę wyeliminować schistosomatozę w niektórych częściach kraju dzięki poprawie warunków sanitarnych i życia, ale zmiany klimatyczne i nierówności ekonomiczne stanowią zagrożenie dla postępu w innych obszarach.
„Analizy te jasno zidentyfikowały, po raz pierwszy, szybko rosnące nieformalne osiedla zarówno na obszarach wiejskich, jak i na obrzeżach ośrodków miejskich jako najbardziej prawdopodobne siedlisko ślimaków, a także potencjalne ogniska przenoszenia schistosomatozy” — powiedział De Leo, który jest również głównym badaczem międzynarodowego zespołu wspieranego przez grant Belmont Collaborative Forum. „Otwierają one nowe możliwości nadzoru nad chorobami i interwencji, które mogą zmniejszyć ryzyko przenoszenia schistosomatozy”.
Wykorzystanie uczenia maszynowego do przewidywania ryzyka wystąpienia chorób w przyszłości
W 2021 roku grant Belmont Forum/São Paulo Research Foundation oraz Stanford Global Health Seed Grant umożliwiły ekspertom w dziedzinie ekologii chorób ze Stanford i Brazylii wspólne opracowanie narzędzi do przewidywania wpływu zmian środowiskowych na ślimaki rozprzestrzeniające choroby.
Sercem tego wysiłku jest narzędzie o nazwie modelowanie rozmieszczenia gatunków. Łączy ono uczenie maszynowe i dane uzyskane zdalnie — takie jak zdjęcia satelitarne i wielkoskalowe modele klimatyczne — w celu zidentyfikowania wszystkich miejsc, w których gatunek mógłby żyć, na podstawie tego, gdzie został znaleziony i gdzie nie został znaleziony w przeszłości. Modele mogą następnie przewidzieć, w jaki sposób zmiany temperatury, opadów deszczu i urbanizacji wpłyną na rozmieszczenie gatunków w przyszłości.
Mimo to, gdy Aly Singleton, doktorantka w ramach interdyscyplinarnego programu im. Emmetta w dziedzinie środowiska i zasobów na Uniwersytecie Stanforda, postanowiła zbudować taki model dla ślimaków, znalazła niewiele informacji, które pomogłyby jej zdecydować, która metodologia będzie najlepsza.
„Mimo że modele rozmieszczenia gatunków stają się coraz bardziej popularnymi narzędziami, wciąż pozostaje wiele otwartych pytań o to, jak najlepiej budować modele” — powiedział Singleton. „Chciałem stworzyć zasób, który mógłby informować o działaniach naszego zespołu, a także być przydatny dla badaczy stosujących te metody na całym świecie”.
Badanie Singleton porównało modele wykorzystujące różne metody uczenia maszynowego, aby sprawdzić, który z nich może najdokładniej prognozować, jak gatunki ślimaków reagują na zmiany w ich środowisku. Wykorzystała ogromne zestawy danych zawierające ponad 11 000 rekordów lokalizacji ślimaków zebranych przez brazylijskich naukowców w latach 1992–2019. Singleton sprawdziła, jak dokładnie modele przewidywały, gdzie mogą znajdować się ślimaki, biorąc pod uwagę różne zmiany klimatu, hydrologii, użytkowania gruntów i rodzaju gleby. Skonsultowała się z lokalnymi ekspertami, takimi jak Roseli Tuan, Antonio Miguel Vieira Monteiro z brazylijskiego Narodowego Instytutu Badań Kosmicznych w Sau Paulo w Brazylii i Roberta Lima Caldeira z Fiocruz Minas w Minas Gerais w Brazylii, którzy wykorzystali swoje doświadczenie z pierwszej ręki, aby ocenić dokładność powstałych map.
Singleton powiedziała, że wiele modeli działało podobnie pod względem dokładności i precyzji, ale generowały one bardzo różne mapy rozmieszczenia ślimaków. „Absolutnie kluczowe było posiadanie wiedzy eksperckiej osób, które dobrze znają ten obszar i działają w tej dziedzinie od wielu lat, aby móc skomentować, który model uważają za lepszy i dlaczego” – powiedziała.
Niektóre modele dostarczały znacznie szerszych szacunków, które obszary były korzystne dla ślimaków, podczas gdy inne były znacznie bardziej rygorystyczne i wąskie w swoich przewidywaniach, gdzie ślimak może być. Oba typy modeli mogą być przydatne w różnych okolicznościach, powiedział Singleton. Na przykład w regionie o bardziej ograniczonych zasobach na walkę ze schistosomatozą, bardziej rygorystyczny model mógłby pomóc zidentyfikować obszary, które należy traktować priorytetowo — te obszary, w których ślimak prawie na pewno się znajdzie. Z drugiej strony, jeśli kraj chciałby wyeliminować schistosomatozę, urzędnicy mogliby zdecydować się na użycie szerszego modelu, który przewidywałby wszystkie możliwe siedliska ślimaków.
Śledzenie „ruchomego celu”
Następnym krokiem było zastosowanie ustaleń Singletona dotyczących efektywnego mapowania rozmieszczenia gatunków, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób zmiany klimatu i użytkowania gruntów wpłynęły na rozmieszczenie ślimaków w Brazylii.
Koleżanka Singletona, Caroline Glidden, starsza naukowiec w Mordecai Lab, kierowała tymi badaniami, będąc jednocześnie pracownikiem naukowym Stanford Institute for Human-Centered Artificial Intelligence (Stanford HAI). Odkryła, że zmiany wywołane klimatem – zwłaszcza wzorce opadów – spowodowały duże zmiany w zasięgu występowania ślimaków w ciągu ostatnich 30 lat. Tymczasem urbanizacja spowodowała bardziej lokalne zmiany, takie jak pojawienie się nowych obszarów siedlisk odpowiednich dla ślimaków na obszarach, na których nastąpił znaczny wzrost populacji.
Wraz ze zmianą wzorców opadów i szybką zmianą użytkowania gruntów w Brazylii, nowe obszary prawdopodobnie staną się korzystne dla ślimaków, które rozwijają się w wolno płynących źródłach słodkiej wody, powiedział Glidden. Należą do nich rowy odwadniające i kanały, takie jak te związane z nawadnianiem w małych gospodarstwach rolnych.
„Ogólny trend jest taki, że zmiany środowiskowe nie tylko rozszerzają siedliska ślimaków – całkowicie zmieniają lokalizację, czyniąc schistosomatozę ruchomym celem interwencji i kontroli zdrowia publicznego” – powiedział Glidden. „Bez tych analiz byłoby bardzo trudno dążyć do wyeliminowania schistosomatozy w Brazylii”.
Tuan powiedział, że badania pomogą urzędnikom służby zdrowia publicznego zidentyfikować strefy priorytetowe w zakresie eliminacji schistosomatozy.
Globalny wpływ
Singleton ma nadzieję, że ich wysiłki na rzecz zidentyfikowania skutecznych metod modelowania rozmieszczenia gatunków pomogą naukowcom spoza Brazylii w przewidywaniu ryzyka chorób przenoszonych przez wektory i mających związek ze środowiskiem.
„Te narzędzia staną się coraz cenniejsze, gdy będziemy starać się zrozumieć, jak populacje gatunków mogą się zmieniać wraz ze zmianą klimatu i użytkowania gruntów” – powiedziała. „Mam nadzieję, że ten artykuł pomoże naukowcom, którzy dopiero zaczynają poznawać te metody, i będzie źródłem, którego szukałam na początku tego projektu”.
Brazylijskie organizacje współpracujące, które były kluczowe dla tego projektu, to brazylijski Narodowy Instytut Badań Przestrzennych (INPE) i René Rachou Institute, jednostka Oswaldo Cruz Foundation (FIOCRUZ Minas). Współautorzy ze Stanford, których jeszcze nie wymieniono, to: Andrew Chamberlin, zawodowy badacz nauk przyrodniczych i Susanne H. Sokolow, starsza badaczka. Inni współautorzy pochodzą z Pasteur Insitute — São Paulo Secretariat of Health, René Rachou Institute, jednostki Oswaldo Cruz Foundation (Fiocruz Minas), brazylijski Narodowy Instytut Badań Kosmicznych, Harvard University i Stony Brook University.
De Leo i Mordecai są również starszymi pracownikami naukowymi w Stanford Woods Institute for the Environment, członkami Stanford Bio-X i wykładowcami Stanford HAI.
Projekt uzyskał wsparcie ze strony Belmont Collaborative Forum on Climate, Environment and Health oraz São Paulo Research Foundation, FAPESP, a także Global Health Seed Grant na rok 2021 ufundowany przez Woods Institute for the Environment, Boba i Kathy Burke oraz Stanford Center for Innovation in Global Health.