uw vreselijke adem probeert u iets te vertellen-en niet alleen dat het tijd is om een fles Listerine open te breken. In die wolk van ui en muffe tonijngeuren zitten honderden chemische verbindingen, die samen in je mond een verhouding creëren die zo uniek is als een vingerafdruk. Door deze verhouding te analyseren, hebben onderzoekers een krachtige nieuwe manier gevonden om de kenmerken van verschillende ziekten te detecteren, van prostaatkanker tot Parkinson.
vandaag onthullen onderzoekers in het tijdschrift American Chemical Society Nano een sensorreeks die de unieke “ademafdruk” van 17 verschillende ziekten identificeert en registreert. De onderzoekers hopen dat hun array, die kunstmatige intelligentie gebruikt om de verschillende niveaus en verhoudingen van 13 belangrijke chemische verbindingen in de menselijke adem aan verschillende ziekten te matchen, de weg zal effenen voor een veelzijdige medische diagnostische tool. Na het bemonsteren van de adem van meer dan 1400 mensen, vonden ze dat hun techniek in staat was om te onderscheiden tussen ziekten met 86 procent nauwkeurigheid.
de wetenschap achter de geur van iemands adem ligt in de suite van organische chemische verbindingen die we routinematig uitstoten in de lucht met elke lach, schreeuw of zucht. Deze verbindingen komen vaak gemarkeerd met de tekenen van biochemische veranderingen veroorzaakt door specifieke ziekten—een fenomeen dat de basis vormt van moderne ademdiagnostiek. Het probleem is dat er veel achtergrondgeluid is om doorheen te ziften.: In een wolk van uitgeademde adem zie je meestal honderden van deze verbindingen.Artsen uit de oudheid die dateren uit 400 v.Chr. wisten dat er iets kon worden afgeleid uit het snuiven van de adem van een zieke. De beroemde Griekse arts Hippocrates, onder andere, rook de adem van zijn patiënten om erachter te komen wat hen mankeerde. (Nog erger, sommige artsen gebruikt om de urine of ontlasting van hun patiënten ruiken.) Sindsdien zijn we iets verfijnder geworden; ademanalyse is succesvol toegepast om levercirrose, diabetes en colorectale kanker te diagnosticeren. Er is zelfs een speciaal tijdschrift voor Ademonderzoek.
maar voorheen werden dergelijke inspanningen voornamelijk gebruikt om één enkele ziekte op te sporen. In de nieuwe studie, Hossam Haick, een Nanotech expert bij Technion—Israel Institute of Technology, en enkele tientallen internationale medewerkers gericht op het leggen van de basis voor een algemeen diagnostisch instrument om de adem handtekening van vele ziekten te identificeren, waaronder nierfalen, longkanker, de ziekte van Crohn, MS, prostaat en eierstokkanker, en nog veel meer. Hun reeks beoordeelt eerst de relatieve overvloed van elke samenstelling binnen de adem van een persoon, en vergelijkt dan ziektesignaturen tegen gezonde individuen.
” we hebben een mengsel van verbindingen die een bepaalde ziekte karakteriseren, en dit beeld verschilt van de ene ziekte tot de andere, ” legt Haick uit. Gebruikend massaspectrometrieanalyse, identificeerde de groep eerst de specifieke samenstellingshandtekeningen voor 17 verschillende ziekten. Ze bemonsterden vervolgens de adem van meer dan 1.400 mensen, met behulp van een sensorische array van koolstof nanobuisjes en gouden deeltjes om te registreren welke mix van verbindingen ze uitademde. Een reeks computeralgoritmen Ontcijferde wat de gegevens hen vertelden over de aanwezigheid of afwezigheid van elke ziekte.
dan komt de kunstmatige intelligentie. “We kunnen het systeem leren dat een ademafdruk geassocieerd kan worden met een bepaalde ziekte”, zegt Haick, die de studie mede leidde. “Het werkt op dezelfde manier als we honden zouden gebruiken om specifieke verbindingen te detecteren. We brengen iets naar de neus van een hond, en de hond zal dat chemische mengsel overbrengen naar een elektrische signatuur en het aan de hersenen geven, en het dan onthouden in specifieke gebieden van de hersenen … dit is precies wat we doen. We laten het een bepaalde ziekte ruiken, maar in plaats van een neus gebruiken we chemische sensoren, en in plaats van de hersenen gebruiken we algoritmen. Dan in de toekomst, kan het de ziekte te herkennen als een hond zou kunnen herkennen een geur.”
Jonathan Beauchamp, een natuurkundige aan het Fraunhofer-Institute for Process Engineering and Packaging in Duitsland, zei dat de technologie een veelbelovende manier is om een belangrijke hindernis in ademanalyse te overwinnen. “Dezelfde VOC’ s (vluchtige organische stoffen) lichten vaak op als markers voor veel verschillende ziekten”, zegt hij. “Binnen de ademonderzoeksgemeenschap is het nu immers algemeen aanvaard dat unieke VOC’ s voor specifieke ziekten waarschijnlijk niet zullen bestaan.”
daarom kan het zoeken naar concentraties van verschillende Vos in relatie tot elkaar, zoals Haick en collega ‘ s deden, de nauwkeurigere diagnostische methode bewijzen, voegt hij eraan toe. “Deze resultaten tonen een hoge nauwkeurigheid in het onderscheiden van een specifieke ziekte ten opzichte van een andere … De huidige studie toont duidelijk de kracht en de belofte van de gouden nanoparticle array techniek,” zegt hij.
bij het onderzoek waren tientallen wetenschappers betrokken die aan 14 onderzoeksinstellingen in vijf verschillende landen waren gevestigd. De deelnemers waren even divers: de gemiddelde leeftijd was 55 jaar; ongeveer de helft was man en de helft was vrouw; en ongeveer een derde was actieve rokers. De deelnemers werden over de hele wereld gerekruteerd in de Verenigde Staten, Israël, Frankrijk, Letland en China. “Het grote aantal proefpersonen in verschillende geografische gebieden is echt een belangrijke kracht van deze studie,” zegt Cristina Davis, een biomedisch ingenieur die het bioinstrumentatielab aan de Universiteit van Californië in Davis leidt.
” grotere klinische studies zoals deze zullen helpen om de grenzen van ademanalyse naar voren te schuiven, en zouden moeten helpen leiden tot veelbelovende medische hulpmiddelen voor de klinische praktijk,” voegt Davis toe, die niet betrokken was bij de studie. “Ze hebben nieuwe massaspectrometrie kennis genomen en gekoppeld aan hun nieuwe sensor output.”
Haick hoopt dat de wijdverbreide tests van zijn team zullen leiden tot wijdverbreid gebruik van het nanosysteem. Hij zegt dat omdat het betaalbaar, niet-invasief en draagbaar is, het kan worden gebruikt om op grote schaal te screenen op ziekte. Door zelfs degenen zonder symptomen te screenen, kan een dergelijk instrument de soorten vroege interventies mogelijk maken die tot betere resultaten leiden.
maar deze AI-aangewakkerde “neus” kan ook toepassingen hebben die veel verder gaan dan medische diagnostiek. Verschillende bedrijven hebben het al in licentie gegeven voor andere toepassingen, zegt Haick. Onder de vele mogelijke toepassingen, hij noes dat de array kan worden gebruikt voor kwaliteitscontrole door het detecteren van voedsel bederf. Het kan ook worden gebruikt voor de beveiliging op luchthavens, door het detecteren van de chemische kenmerken van explosieven.
“het systeem is zeer gevoelig, en je hoeft het alleen maar te trainen naar verschillende soorten toepassingen,” zegt hij.