Ваше ужасное дыхание пытается вам что-то сказать - и не только, что пришло время открыть бутылку листерина. В этом облаке лукового и несвежего запаха тунца находятся сотни химических соединений, которые объединяются во рту, создавая такое же уникальное соотношение, как отпечаток пальца. Анализируя это соотношение, исследователи придумали новый эффективный способ выявления признаков различных заболеваний, от рака простаты до болезни Паркинсона.
Связанный контент
- История и наука за твоим ужасным дыханием
- Как неприятный запах изо рта стал заболеванием с "лечением"
Сегодня в журнале American Chemical Society Nano исследователи представляют сенсорный массив, который идентифицирует и фиксирует уникальный «отпечаток дыхания» 17 различных заболеваний. Исследователи надеются, что их набор, в котором используется искусственный интеллект для сопоставления различных уровней и соотношений 13 ключевых химических соединений, обнаруженных в дыхании человека, с различными заболеваниями, проложит путь к универсальному медицинскому диагностическому инструменту. После исследования дыхания более чем 1400 человек, они обнаружили, что их техника способна различать болезни с точностью до 86 процентов.
Наука о запахе человеческого дыхания заключается в наборе органических химических соединений, которые мы регулярно выбрасываем в воздух при каждом смехе, крике или вздохе. Эти соединения часто сопровождаются признаками биохимических изменений, вызванных определенными заболеваниями - феноменом, который лежит в основе современной диагностики дыхания. Проблема в том, что через него просачивается много фонового шума: в облаке выдоха вы обычно видите сотни таких соединений.
Древние врачи, датируемые 400 г. до н.э., знали, что есть что почерпнуть, чтобы вдохнуть дыхание больного. Знаменитый греческий врач Гиппократ, среди прочего, имел обыкновение ощущать дыхание своих пациентов, чтобы узнать, что их беспокоило. (Хуже того, некоторые врачи чувствовали запах мочи или стула своих пациентов.) С тех пор мы стали немного более изощренными; Анализ дыхания успешно применяется для диагностики цирроза печени, диабета и колоректального рака. Есть даже специальный журнал исследований дыхания .
Но ранее такие усилия в основном использовались для выявления одного заболевания. В новом исследовании Хоссам Хэйк, эксперт по нанотехнологиям в Технионе, Израильском технологическом институте, и несколько десятков международных сотрудников, стремились заложить основу для общего диагностического инструмента для идентификации признаков дыхания многих заболеваний, включая почечную недостаточность, рак легких Болезнь Крона, РС, рак предстательной железы и яичников и многое другое. Их массив сначала оценивает относительное содержание каждого соединения на одном дыхании человека, а затем сравнивает сигнатуры болезней со здоровыми людьми.
«У нас есть смесь соединений, которые характеризуют данную болезнь, и эта картина отличается от одной болезни к другой», - объясняет Хэйк. Используя масс-спектрометрический анализ, группа сначала определила конкретные составные сигнатуры для 17 различных заболеваний. Затем они опробовали дыхание более 1400 человек, используя сенсорный набор углеродных нанотрубок и частиц золота, чтобы определить, какую смесь соединений они выдыхали. Набор компьютерных алгоритмов расшифровал то, что данные сказали им о наличии или отсутствии каждого заболевания.
Именно тогда приходит искусственный интеллект. «Мы можем научить систему, что отпечаток дыхания может быть связан с конкретной болезнью», - говорит Хэйк, который возглавлял исследование. «Это работает так же, как мы использовали бы собак для обнаружения определенных соединений. Мы подносим что-то к носу собаки, и собака переносит эту химическую смесь в электрическую сигнатуру и передает ее в мозг, а затем запоминает ее в определенных областях мозга ... Это именно то, что мы делаем. Мы позволяем ему ощущать запах данной болезни, но вместо носа мы используем химические сенсоры, а вместо мозга мы используем алгоритмы. Затем в будущем он может распознать болезнь, как собака может распознать запах ».
Джонатан Бошам, физик-эколог из Фраунгоферовского института технологического проектирования и упаковки в Германии, сказал, что технология представляет собой многообещающий способ преодолеть серьезное препятствие в анализе дыхания. «Те же самые ЛОС (летучие органические соединения) часто загораются как маркеры для многих различных заболеваний», - говорит он. «Действительно, в настоящее время в сообществе исследователей дыхания широко распространено мнение, что уникальные ЛОС для конкретных заболеваний вряд ли существуют».
Поэтому поиск концентраций различных летучих органических соединений по отношению друг к другу, как это сделали Хейк и его коллеги, может оказаться более точным методом диагностики, добавляет он. «Эти результаты демонстрируют высокую точность в различении одного конкретного заболевания от другого ... Текущее исследование ясно демонстрирует силу и перспективность метода массива золотых наночастиц», - говорит он.
В исследовании приняли участие десятки ученых из 14 научно-исследовательских учреждений в пяти разных странах. Его участники были одинаково разнообразны: средний возраст был 55; около половины были мужчинами, а половина - женщинами; и около трети были активными курильщиками. Участники были набраны по всему миру в США, Израиле, Франции, Латвии и Китае. «Большое количество предметов в различных географических областях - действительно ключевая сила этого исследования», - говорит Кристина Дэвис, биомедицинский инженер, возглавляющая лабораторию биоинструментации в Калифорнийском университете в Дэвисе.
«Большие клинические испытания, подобные этому, помогут расширить границы анализа дыхания и должны привести к созданию перспективных медицинских инструментов для клинической практики», - добавляет Дэвис, который не принимал участия в исследовании. «Они взяли новые знания в области масс-спектрометрии и подключили их к своим новым датчикам».
Хэйк надеется, что повсеместное тестирование его команды приведет к широкому использованию наносистемы. Он говорит, что, поскольку он доступен, неинвазивен и портативен, его можно широко использовать для выявления заболеваний. С помощью скрининга даже тех, у кого нет симптомов, такой инструмент может помочь в ранних вмешательствах, которые приведут к лучшим результатам.
Но этот «нос», питаемый искусственным интеллектом, может также иметь применение, выходящее далеко за рамки медицинской диагностики. Несколько компаний уже лицензировали его для других приложений, говорит Хайк. Среди множества возможных применений он отмечает, что массив можно было бы использовать для контроля качества путем обнаружения порчи продуктов питания. Он также может быть использован для обеспечения безопасности в аэропортах путем обнаружения химических сигнатур взрывных устройств.
«Система очень чувствительна, и вам просто нужно обучить ее различным приложениям», - говорит он.
