Ужасният ви дъх се опитва да ви каже нещо - и не само, че е време да отпуснете бутилка Листерин. В този облак от мирис на риба лук и застояла риба тон са стотици химични съединения, които се комбинират в устата ви, за да създадат съотношение, уникално като пръстов отпечатък. Анализирайки това съотношение, изследователите измислиха нов мощен начин да открият подписите на различни заболявания - от рак на простатата до Паркинсон.
Свързано съдържание
- Историята и науката зад вашия ужасен дъх
- Как халитозата стана медицинско състояние с "лек"
Днес в списанието American Chemical Society Nano изследователите разкриват сензорна решетка, която идентифицира и улавя уникалния „отпечатък“ на 17 различни заболявания. Изследователите се надяват, че техният масив, който използва изкуствен интелект, за да съпостави различните нива и съотношения на 13 ключови химични съединения, открити в дишането на човека, към различни заболявания, ще проправи пътя за универсален медицински диагностичен инструмент. След като взеха проби от дишането на повече от 1400 души, те установиха, че техниката им е в състояние да различи болестите с 86-процентова точност.
Науката зад уханието на дишането на човек се крие в пакета от органични химични съединения, които рутинно изхвърляме във въздуха с всеки смях, крясък или въздишка. Тези съединения често са белязани с признаците на биохимични промени, породени от специфични заболявания - явление, което е в основата на съвременната диагностика на дишането. Проблемът е, че има много фонов шум за пресяване: В облак от издишан дъх обикновено ще видите стотици от тези съединения.
Древните лекари, датиращи от 400 г. пр. Н. Е., Знаели, че трябва да се вземе нещо, от което да подуши дъха на болен човек. Известният гръцки лекар Хипократ, наред с други, миришеше на дъха на пациентите си, за да разбере какво ги боли. (Още по-лошо е, че някои лекари миришеха на урината или изпражненията на пациентите си.) Оттогава станахме малко по-сложни; анализът на дишането е успешно използван за диагностициране на цироза на черния дроб, диабет и колоректален рак. Има дори специализиран журнал за изследване на дишането .
Но преди това подобни усилия са били използвани главно за откриване на единично заболяване. В новото проучване Хосам Хаик, експерт по нанотехнологии в Технион-Израелския технологичен институт и няколко десетки международни сътрудници, имаха за цел да поставят основите на общ диагностичен инструмент за идентифициране на дихателните сигнали за много заболявания, включително бъбречна недостатъчност, рак на белите дробове и др. Болест на Крон, МС, рак на простатата и яйчниците и др. Техният масив първо оценява относителното изобилие на всяко съединение в дишането на човек и след това сравнява подписите на болести срещу здрави индивиди.
"Имаме смес от съединения, които характеризират дадено заболяване и тази картина е различна от една болест до друга", обяснява Хейк. Използвайки анализ на масспектрометрията, групата първо идентифицира специфичните съставни сигнали за 17 различни заболявания. След това взеха проби от дишането на повече от 1400 души, използвайки сензорни масиви въглеродни нанотръби и златни частици, за да регистрират коя смес от съединения издишаха. Набор от компютърни алгоритми дешифрира това, което данните им казаха за наличието или отсъствието на всяка болест.
Тогава идва изкуственият интелект. „Можем да научим системата, че отпечатъкът може да бъде свързан с определена болест“, казва Хейк, който ръководи изследването. „Действа по същия начин, по който бихме използвали кучета, за да открием специфични съединения. Ние носим нещо в носа на куче и кучето ще прехвърли тази химическа смес в електрически подпис и ще я предостави на мозъка, а след това ще я запаметява в конкретни области на мозъка ... Това е точно това, което правим. Оставяме го да мирише на дадена болест, но вместо нос използваме химически сензори, а вместо мозъка използваме алгоритмите. Тогава в бъдеще то може да разпознае болестта, тъй като кучето може да разпознае аромат. "
Джонатан Бошамп, физик по околна среда в Института за процесно инженерство и опаковане в Фраунхофер в Германия, заяви, че технологията представлява обещаващ начин за надминаване на голямо препятствие при анализа на дишането. „Същите ЛОС (летливи органични съединения) често светват като маркери за много различни заболявания“, казва той. „Всъщност в общността на дихателните изследвания е широко прието, че уникални ЛОС за специфични заболявания е малко вероятно да съществуват.“
Ето защо търсенето на концентрации на различни ЛОС една спрямо друга, както направиха Хейк и колегите му, може да докаже по-точния диагностичен метод, добавя той. "Тези резултати демонстрират висока точност при разграничаване на една конкретна болест спрямо друга ... Настоящото проучване ясно демонстрира силата и обещанието на техниката за масив от златни наночастици", казва той.
В проучването участват десетки учени, базирани в 14 изследователски институции в пет различни държави. Участниците му бяха еднакво разнообразни: средната възраст беше 55; около половината бяха мъже, а половината бяха жени; и около една трета бяха активни пушачи. Участниците бяха назначени по целия свят в САЩ, Израел, Франция, Латвия и Китай. „Големият брой теми в различни географски райони наистина е ключова сила на това проучване“, казва Кристина Дейвис, биомедицински инженер, който ръководи лабораторията за биоинструментация в Калифорнийския университет в Дейвис.
„По-големи клинични изпитвания като това ще помогнат за раздвижване на границите на анализа на дишането напред и трябва да доведат до обещаващи медицински инструменти за клиничната практика“, добавя Дейвис, който не участва в изследването. „Те са взели нови знания за мас-спектрометрия и са ги прикачили към своя нов изходен сензор.“
Хейк се надява, че широкото тестване на екипа му ще доведе до широко използване на наносистемата. Той казва, че тъй като е достъпен, неинвазивен и преносим, може да се използва за широко изследване на болести. Чрез скрининг дори на такива, които нямат симптоми, такъв инструмент би могъл да даде възможност за видовете ранни интервенции, които водят до по-добри резултати.
Но този "нос", захранван с AI, също може да има приложения, далеч извън медицинската диагностика. Няколко компании вече са го лицензирали за други приложения, казва Хаик. Сред многобройните потенциални приложения той отбелязва, че масивът може да се използва за контрол на качеството чрез откриване на разваляне на храните. Може да се използва и за сигурност на летищата, чрез откриване на химически подписи на взривни устройства.
„Системата е силно чувствителна и просто трябва да я обучите на различни видове приложения“, казва той.
