hirveä hengityksesi yrittää kertoa sinulle jotain—eikä vain sitä, että on aika avata listeriinipullo. Sipulipilven ja tunkkaisen tonnikalan hajuissa on satoja kemiallisia yhdisteitä, jotka yhdistyvät suussasi niin ainutlaatuiseksi kuin sormenjälki. Analysoimalla tätä suhdetta tutkijat ovat keksineet tehokkaan uuden tavan havaita eri sairauksien allekirjoitukset eturauhassyövästä Parkinsonin tautiin.
tänään American Chemical Society Nano-lehdessä tutkijat paljastavat sensoriryhmän, joka tunnistaa ja tallentaa 17 eri sairauden ainutlaatuisen ”hengästymisen”. Tutkijat toivovat, että heidän array, joka käyttää tekoälyä sovittaa jopa eri tasoilla ja suhteet 13 keskeisiä kemiallisia yhdisteitä löytyy ihmisen hengitys eri sairauksia, tasoittaa tietä monipuolinen lääketieteellinen diagnostinen työkalu. Otettuaan näytteitä yli 1400 ihmisen hengityksestä he havaitsivat, että heidän tekniikkansa pystyi erottamaan sairaudet toisistaan 86 prosentin tarkkuudella.
ihmisen hengityksen tuoksun takana oleva tiede on siinä orgaanisten kemiallisten yhdisteiden sarjassa, jonka poistamme rutiininomaisesti ilmaan joka naurulla, huudolla tai huokauksella. Nämä yhdisteet tulevat usein merkittyinä tiettyjen sairauksien aiheuttamista biokemiallisista muutoksista-ilmiö, joka muodostaa nykyaikaisen hengitysdiagnostiikan perustan. Ongelmana on, että taustamelua on paljon seulottavana.: Kun pilvi uloshengityksen, näet tyypillisesti satoja näitä yhdisteitä.
antiikin lääkärit vuodelta 400 eaa tiesivät, että sairaan ihmisen hengityksen nuuhkimisesta voi saada jotain. Muun muassa kuuluisalla kreikkalaislääkärillä Hippokrateella oli tapana haistella potilaidensa hengitystä saadakseen selville, mikä heitä vaivasi. (Mikä vielä pahempaa, jotkut lääkärit haistoivat potilaidensa virtsan tai ulosteen.) Olemme saaneet hieman kehittyneempiä sen jälkeen; hengitysanalyysi on onnistuneesti käytetty diagnosoida maksakirroosi, diabetes ja paksusuolen syöpä. Hengitystutkimuksesta on jopa oma päiväkirjansa.
mutta aiemmin tällaisia ponnistuksia on käytetty lähinnä yksittäisen sairauden toteamiseen. Uudessa tutkimuksessa Hossam Haick, nanotekniikan asiantuntija Technion-Israel Institute of Technology, ja useita kymmeniä kansainvälisiä yhteistyökumppaneita tavoitteena oli luoda perusta yleinen diagnostinen työkalu tunnistaa hengitys allekirjoitukset monien sairauksien, kuten munuaisten vajaatoiminta, keuhkosyöpä, Crohnin tauti, MS, eturauhas-ja munasarjasyöpä, ja paljon muuta. Heidän ryhmänsä arvioi ensin kunkin yhdisteen suhteellisen runsauden ihmisen hengityksessä ja vertaa sitten taudin merkkejä terveisiin yksilöihin.
”meillä on seos yhdisteitä, jotka ovat ominaisia tietylle taudille, ja tämä kuva on erilainen sairaudesta toiseen”, Haick selittää. Massaspektrometrianalyysin avulla ryhmä tunnisti ensin 17 eri sairauden spesifiset yhdistemerkinnät. Sen jälkeen he ottivat näytteitä yli 1400 ihmisen hengityksestä ja rekisteröivät hiilinanoputkien ja kultahiukkasten avulla, minkä yhdisteiden sekoituksen he hengittivät ulos. Joukko tietokonealgoritmeja tulkitsi, mitä tiedot kertoivat kunkin taudin esiintymisestä tai puuttumisesta.
silloin tekoäly astuu kuvaan. ”Voimme opettaa järjestelmälle, että hengityksen jälki voi liittyä johonkin tiettyyn sairauteen”, tutkimusta johtanut Haick sanoo. ”Se toimii samalla tavalla kuin käyttäisimme koiria tiettyjen yhdisteiden havaitsemiseen. Tuomme jotain koiran nenään, ja koira siirtää sen kemiallisen seoksen sähköiseen signaaliin ja antaa sen aivoihin, ja sitten muistaa sen tietyillä aivojen alueilla … juuri näin me teemme. Annamme sen haistaa tietyn taudin, mutta nenän sijasta käytämme kemiallisia sensoreita ja aivojen sijaan algoritmeja. Sitten tulevaisuudessa se voi tunnistaa taudin, kuten koira saattaa tunnistaa vainun.”
Jonathan Beauchamp, ympäristöfyysikko Fraunhofer-Institute for Process Engineering and Packagingissa Saksassa, sanoi tekniikan olevan lupaava tapa ylittää suuri este hengitysanalyysissä. ”Samat VOC-yhdisteet (haihtuvat orgaaniset yhdisteet) syttyvät usein monien eri sairauksien merkkiaineina”, hän sanoo. ”Hengitystutkimusyhteisössä onkin nyt yleisesti hyväksytty, että erityisiä sairauksia koskevia ainutlaatuisia VOC-yhdisteitä ei todennäköisesti ole olemassa.”
siksi erilaisten VOC-yhdisteiden pitoisuuksien etsiminen suhteessa toisiinsa, kuten Haick ja kollegat tekivät, voi todistaa tarkemman diagnostisen menetelmän, hän lisää. ”Nämä tulokset osoittavat suurta tarkkuutta jonkin tietyn taudin syrjimisessä toiseen … Nyt tehty tutkimus osoittaa selvästi kultananopartikkelirivistötekniikan voiman ja lupauksen, hän sanoo.
tutkimuksessa oli mukana kymmeniä tutkijoita, jotka toimivat 14 tutkimuslaitoksessa viidessä eri maassa. Sen osallistujat olivat yhtä kirjavia: keski-ikä oli 55 vuotta; noin puolet oli miehiä ja puolet naisia, ja noin kolmannes oli aktiivisia tupakoitsijoita. Osallistujia rekrytoitiin ympäri maailmaa Yhdysvalloista, Israelista, Ranskasta, Latviasta ja Kiinasta. ”Tutkittavien suuri määrä eri maantieteellisillä alueilla on todella keskeinen vahvuus tässä tutkimuksessa”, sanoo Cristina Davis, biolääketieteen insinööri, joka johtaa bioinstrumentaatiolaboratoriota Kalifornian yliopistossa Davisissa.
”tällaiset suuremmat kliiniset tutkimukset auttavat työntämään hengitysanalyysin rajoja eteenpäin, ja niiden pitäisi johtaa lupaaviin lääketieteellisiin välineisiin kliinistä harjoittelua varten”, lisää Davis, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. ”He ovat ottaneet uutta massaspektrometriatietoa ja yhdistäneet sen uudenlaiseen anturitehoonsa.”
Haick toivoo, että hänen tiiminsä laajamittainen testaus johtaisi nanosysteemin laajaan käyttöön. Hän sanoo, että koska se on edullinen, ei-invasiivinen ja kannettava, sitä voitaisiin käyttää seulontaan laajasti sairauksien varalta. Seulomalla jopa ne, joilla ei ole oireita, tällainen työkalu voisi mahdollistaa sellaiset varhaiset interventiot, jotka johtavat parempiin tuloksiin.
, mutta tällä tekoälyä ruokkivalla ”nenällä” saattaa olla myös sovelluksia, jotka ulottuvat pitkälle Lääketieteellisen diagnostiikan ulkopuolelle. Useat yritykset ovat jo lisensoineet sen muihin sovelluksiin, haick sanoo. Monista mahdollisista käyttötarkoituksista hän noes, että array voitaisiin käyttää laadunvalvontaan havaitsemalla elintarvikkeiden pilaantumista. Sitä voitaisiin käyttää myös lentokenttien turvatoimiin paljastamalla räjähteiden kemialliset merkit.
”järjestelmä on erittäin herkkä, ja sitä tarvitsee vain kouluttaa erityyppisiin sovelluksiin”, hän sanoo.