Il tuo terribile respiro sta cercando di dirti qualcosa—e non solo che è il momento di aprire una bottiglia di Listerine. All’interno di quella nuvola di cipolla e stantio tonno odori di pesce sono centinaia di composti chimici, che si combinano in bocca per creare un rapporto unico come un’impronta digitale. Analizzando questo rapporto, i ricercatori hanno escogitato un nuovo potente modo per rilevare le firme di varie malattie, dal cancro alla prostata al Parkinson.
Oggi sulla rivista American Chemical Society Nano, i ricercatori svelano un array di sensori che identifica e cattura l’esclusiva “breathprint” di 17 diverse malattie. I ricercatori sperano che il loro array, che utilizza l’intelligenza artificiale per abbinare i vari livelli e rapporti di 13 composti chimici chiave trovati nel respiro umano a diverse malattie, aprirà la strada a uno strumento diagnostico medico versatile. Dopo aver campionato il respiro di oltre 1.400 persone, hanno scoperto che la loro tecnica era in grado di discriminare tra le malattie con una precisione dell ‘ 86%.
La scienza dietro il profumo del respiro di una persona si trova all’interno della suite di composti chimici organici che espelliamo abitualmente nell’aria ad ogni risata, urlo o sospiro. Questi composti vengono spesso contrassegnati con i segni di cambiamenti biochimici causati da malattie specifiche-un fenomeno che costituisce la base della moderna diagnostica del respiro. Il problema è che c’è un sacco di rumore di fondo da setacciare: In una nuvola di respiro esalato, in genere vedrai centinaia di questi composti.
Gli antichi medici risalenti al 400 a. C. sapevano che c’era qualcosa da ricavare dall’annusare il respiro di una persona malata. Il famoso medico greco Ippocrate, tra gli altri, era solito annusare il respiro dei suoi pazienti per scoprire cosa li affliggeva. (Ancora peggio, alcuni medici erano soliti annusare l’urina o le feci dei loro pazienti.) Da allora siamo diventati leggermente più sofisticati; l’analisi del respiro è stata impiegata con successo per diagnosticare la cirrosi epatica, il diabete e il cancro del colon-retto. C’è anche una rivista dedicata alla ricerca del respiro.
Ma in precedenza, tali sforzi sono stati utilizzati principalmente per rilevare una singola malattia. Nel nuovo studio, Hossam Haick, un esperto di nanotech presso Technion-Israel Institute of Technology, e diverse decine di collaboratori internazionali miravano a gettare le basi per uno strumento diagnostico generale per identificare le firme del respiro di molte malattie, tra cui insufficienza renale, cancro ai polmoni, morbo di Crohn, SM, prostata e cancro ovarico, e altro ancora. La loro matrice prima valuta l’abbondanza relativa di ogni composto all’interno del respiro di una persona e poi confronta le firme della malattia contro gli individui sani.
“Abbiamo una miscela di composti che caratterizzano una data malattia e questo quadro è diverso da una malattia all’altra”, spiega Haick. Utilizzando l’analisi di spettrometria di massa, il gruppo ha prima identificato le firme di composti specifici per 17 diverse malattie. Hanno poi provato il respiro di più di 1.400 persone, utilizzando una matrice sensoriale di nanotubi di carbonio e particelle d’oro per registrare quale mix di composti hanno espirato. Una suite di algoritmi informatici decifrato ciò che i dati hanno detto loro circa la presenza o l’assenza di ogni malattia.
Ecco quando arriva l’intelligenza artificiale. “Possiamo insegnare al sistema che un breathprint potrebbe essere associato a una particolare malattia”, afferma Haick, che ha co-guidato lo studio. “Funziona nello stesso modo in cui useremmo i cani per rilevare composti specifici. Portiamo qualcosa al naso di un cane, e il cane trasferirà quella miscela chimica in una firma elettrica e la fornirà al cervello, e poi la memorizzerà in specifiche regioni del cervello-Questo è esattamente quello che facciamo. Lasciamo che annusi una determinata malattia, ma invece di un naso usiamo sensori chimici, e invece del cervello usiamo gli algoritmi. Poi in futuro, può riconoscere la malattia come un cane potrebbe riconoscere un profumo.”
Jonathan Beauchamp, un fisico ambientale presso il Fraunhofer-Institute for Process Engineering and Packaging in Germania, ha detto che la tecnologia presenta un modo promettente per superare un importante ostacolo nell’analisi del respiro. “Gli stessi VOC (composti organici volatili) spesso si accendono come marcatori per molte malattie diverse”, dice. “In effetti, è ora ampiamente accettato all’interno della comunità di ricerca breath che è improbabile che esistano VOC unici per malattie specifiche.”
Pertanto, la ricerca di concentrazioni di vari VOC in relazione tra loro, come Haick e colleghi, può dimostrare il metodo diagnostico più accurato, aggiunge. “Questi risultati dimostrano un’elevata precisione nel discriminare una specifica malattia contro un’altra … L’attuale studio dimostra chiaramente la potenza e la promessa della tecnica di array di nanoparticelle d’oro”, afferma.
Lo studio ha coinvolto decine di studiosi con sede a 14 istituti di ricerca in cinque diversi paesi. I suoi partecipanti erano ugualmente diversi: l’età media era di 55 anni; circa la metà erano maschi e metà erano femmine; e circa un terzo erano fumatori attivi. I partecipanti sono stati reclutati in tutto il mondo negli Stati Uniti, Israele, Francia, Lettonia e Cina. “Il gran numero di soggetti su varie aree geografiche è davvero un punto di forza chiave di questo studio”, afferma Cristina Davis, ingegnere biomedico che dirige il laboratorio di bioinstrumentazione presso l’Università della California a Davis.
“Studi clinici più ampi come questo aiuteranno a spingere in avanti i confini dell’analisi del respiro e dovrebbero aiutare a portare a promettenti strumenti medici per la pratica clinica”, aggiunge Davis, che non è stato coinvolto nello studio. “Hanno preso nuove conoscenze di spettrometria di massa e l’hanno accoppiata alla loro nuova uscita del sensore.”
Haick spera che i test diffusi del suo team porteranno a un uso diffuso del nanosistema. Dice che perché è conveniente, non invasivo e portatile, potrebbe essere utilizzato per lo screening ampiamente per la malattia. Con lo screening anche quelli senza sintomi, tale strumento potrebbe consentire i tipi di interventi precoci che portano a risultati migliori.
Ma questo “naso” alimentato dall’IA potrebbe anche avere applicazioni ben oltre la diagnostica medica. Diverse aziende hanno già concesso in licenza per altre applicazioni, dice Haick. Tra i molti potenziali usi, egli noes che l’array potrebbe essere utilizzato per il controllo di qualità rilevando il deterioramento degli alimenti. Potrebbe anche essere utilizzato per la sicurezza negli aeroporti, rilevando le firme chimiche dei dispositivi esplosivi.
“Il sistema è altamente sensibile e devi solo addestrarlo a diversi tipi di applicazioni”, afferma.