din frygtelige ånde forsøger at fortælle dig noget—og ikke bare, at det er tid til at knække åbne en flaske Listerine. Inden for denne sky af løg og uaktuelle tunfisk lugt er hundreder af kemiske forbindelser, der kombineres i munden for at skabe et forhold så unikt som et fingeraftryk. Ved at analysere dette forhold har forskere fundet en stærk ny måde at opdage underskrifterne på forskellige sygdomme, fra prostatacancer til Parkinsons.
i dag i tidsskriftet American Chemical Society Nano afslører forskere et sensorarray, der identificerer og fanger det unikke “åndedræt” af 17 forskellige sygdomme. Forskerne håber, at deres array, der bruger kunstig intelligens til at matche de forskellige niveauer og forhold mellem 13 nøglekemiske forbindelser, der findes i menneskelig ånde til forskellige sygdomme, vil bane vejen for et alsidigt medicinsk diagnostisk værktøj. Efter prøveudtagning af mere end 1.400 menneskers ånde fandt de, at deres teknik var i stand til at skelne mellem sygdomme med 86 procent nøjagtighed.
videnskaben bag duften af en persons ånde ligger inden for pakken af organiske kemiske forbindelser, som vi rutinemæssigt uddriver i luften med hver latter, råb eller suk. Disse forbindelser kommer ofte markeret med tegn på biokemiske ændringer udført af specifikke sygdomme—et fænomen, der danner grundlaget for moderne åndedrætsdiagnostik. Problemet er, der er meget baggrundsstøj at Sile igennem: I en sky af udåndet ånde vil du typisk se hundredvis af disse forbindelser.
gamle læger, der går tilbage til 400 F.kr., vidste, at der var noget at hente ved at snuse en syges ånde. Den berømte græske læge Hippokrates plejede blandt andet at lugte sine patienters ånde for at finde ud af, hvad der ramte dem. (Endnu værre, nogle læger plejede at lugte deres patienters urin eller afføring.) Vi er blevet lidt mere sofistikerede siden da; åndedrætsanalyse er med succes blevet anvendt til at diagnosticere levercirrhose, diabetes og kolorektal cancer. Der er endda en dedikeret Journal of Breath Research.
men tidligere er sådanne bestræbelser hovedsageligt blevet brugt til at påvise en enkelt sygdom. I den nye undersøgelse havde Hossam Haick, en nanotech—ekspert ved Technion-Israel Institute of Technology, og flere dusin internationale samarbejdspartnere til formål at lægge grunden til et generelt diagnostisk værktøj til at identificere åndedrætssignaturer af mange sygdomme, herunder nyresvigt, lungekræft, Crohns sygdom, MS, prostata og æggestokkræft og meget mere. Deres array først vurderer hver forbindelse relative overflod i en persons ånde, og derefter sammenligner sygdom signaturer mod raske individer.
“vi har en blanding af forbindelser, der karakteriserer en given sygdom, og dette billede er forskelligt fra en sygdom til en anden,” forklarer Haick. Ved hjælp af massespektrometrianalyse identificerede gruppen først de specifikke sammensatte signaturer for 17 forskellige sygdomme. De samplede derefter åndedrættet fra mere end 1.400 mennesker ved hjælp af et sensorisk udvalg af carbon nanorør og guldpartikler til at registrere, hvilken blanding af forbindelser de udåndede. En række computeralgoritmer dechiffrerede, hvad dataene fortalte dem om tilstedeværelsen eller fraværet af hver sygdom.
det er da den kunstige intelligens kommer ind. “Vi kan lære systemet, at et åndedræt kan være forbundet med en bestemt sygdom,” siger Haick, som var med til at lede undersøgelsen. “Det fungerer på samme måde, som vi ville bruge hunde til at opdage specifikke forbindelser. Vi bringer noget til næsen på en hund, og hunden overfører den kemiske blanding til en elektrisk signatur og giver den til hjernen og husker den derefter i bestemte områder af hjernen … det er præcis, hvad vi gør. Vi lader det lugte en given sygdom, men i stedet for en næse bruger vi kemiske sensorer, og i stedet for hjernen bruger vi algoritmerne. Så i fremtiden kan den genkende sygdommen, da en hund måske genkender en duft.”
Jonathan Beauchamp, en miljøfysiker ved Fraunhofer-Institute for Process Engineering and Packaging i Tyskland, sagde, at teknologien præsenterer en lovende måde at overgå en stor hindring i åndedrætsanalyse. “De samme VOC ‘er (flygtige organiske forbindelser) lyser ofte op som markører for mange forskellige sygdomme,” siger han. “Faktisk er det nu bredt accepteret inden for breath – forskningsmiljøet, at unikke VOC’ er til specifikke sygdomme sandsynligvis ikke findes.”
derfor kan søgning efter koncentrationer af forskellige VOC ‘ er i forhold til hinanden, som Haick og kolleger gjorde, muligvis bevise den mere nøjagtige diagnosemetode, tilføjer han. “Disse resultater viser høj nøjagtighed ved at diskriminere en bestemt sygdom mod en anden … Den aktuelle undersøgelse viser tydeligt kraften og løftet om guld nanopartikel array teknik,” siger han.
undersøgelsen involverede snesevis af forskere baseret på 14 forskningsinstitutioner i fem forskellige lande. Dens deltagere var lige så forskellige: gennemsnitsalderen var 55; omkring halvdelen var mænd og halvdelen var kvinder; og omkring en tredjedel var aktive rygere. Deltagerne blev rekrutteret over hele verden i USA, Israel, Frankrig, Letland og Kina. “Det store antal emner over forskellige geografiske områder er virkelig en nøglestyrke i denne undersøgelse,” siger Cristina Davis, en biomedicinsk ingeniør, der leder bioinstrumentationslaboratoriet ved University of California i Davis.
“større kliniske forsøg som dette vil hjælpe med at skubbe grænserne for åndedrætsanalyse fremad og bør hjælpe med at føre til lovende medicinske værktøjer til klinisk praksis,” tilføjer Davis, som ikke var involveret i undersøgelsen. “De har taget ny massespektrometri viden og koblet det til deres nye sensor output.”
Haick håber, at hans teams udbredte test vil føre til udbredt brug af nanosystemet. Han siger, at fordi det er overkommeligt, ikke-invasivt og bærbart, kan det bruges til at screene bredt for sygdom. Ved at screene selv dem uden symptomer kunne et sådant værktøj muliggøre de typer tidlige indgreb, der fører til bedre resultater.
men denne AI-drevne “næse” kan også have applikationer langt ud over medicinsk diagnostik. Flere virksomheder har allerede licenseret det til andre applikationer, siger Haick. Blandt de mange potentielle anvendelser, han noes, at array kunne bruges til kvalitetskontrol ved at opdage mad fordærv. Det kunne også bruges til sikkerhed i lufthavne ved at detektere kemiske signaturer af eksplosive enheder.
“systemet er meget følsomt, og du skal bare træne det til forskellige typer applikationer,” siger han.