Twój okropny oddech próbuje ci coś powiedzieć-i nie tylko, że nadszedł czas, aby otworzyć butelkę Listerine. W tej chmurze cebuli i czerstwych zapachów tuńczyka są setki związków chemicznych, które łączą się w ustach, aby stworzyć stosunek tak wyjątkowy, jak odcisk palca. Analizując ten stosunek, naukowcy wymyślili nowy, potężny sposób wykrywania sygnatur różnych chorób, od raka prostaty po Parkinsona.
dzisiaj w czasopiśmie American Chemical Society Nano naukowcy ujawniają matrycę czujników, która identyfikuje i rejestruje unikalny „odcisk oddechu” 17 różnych chorób. Naukowcy mają nadzieję, że ich tablica, która wykorzystuje sztuczną inteligencję do dopasowania różnych poziomów i proporcji kluczowych związków chemicznych 13 występujących w ludzkim oddechu do różnych chorób, utoruje drogę dla wszechstronnego medycznego narzędzia diagnostycznego. Po pobraniu próbek oddechu ponad 1400 osób okazało się, że ich technika była w stanie dyskryminować choroby z 86-procentową dokładnością.
nauka stojąca za zapachem ludzkiego oddechu leży w zestawie organicznych związków chemicznych, które rutynowo wyrzucamy w powietrze z każdym śmiechem, krzykiem lub westchnieniem. Związki te często są oznaczone oznakami zmian biochemicznych spowodowanych konkretnymi chorobami-zjawiskiem, które stanowi podstawę współczesnej diagnostyki oddechu. Problem w tym, że trzeba przesiać wiele szumów w tle: W chmurze wydychanego oddechu zazwyczaj zobaczysz setki tych związków.
starożytni lekarze sięgający 400 lat p. n. e.wiedzieli, że jest coś, co można wyciągnąć z wąchania oddechu chorego. Słynny grecki lekarz Hipokrates m.in. wąchał oddech swoich pacjentów, aby dowiedzieć się, co ich trapi. (Co gorsza, niektórzy lekarze zwykli wąchać mocz lub stolec swoich pacjentów.) Od tego czasu staliśmy się nieco bardziej wyrafinowani; analiza oddechu została z powodzeniem zastosowana do diagnozowania marskości wątroby, cukrzycy i raka jelita grubego. Jest nawet dedykowany dziennik badań oddechu.
ale wcześniej takie wysiłki były wykorzystywane głównie do wykrywania pojedynczej choroby. W nowym badaniu Hossam Haick, ekspert ds. nanotechnologii w Technion-Israel Institute of Technology i kilkudziesięciu międzynarodowych współpracowników miało na celu stworzenie podstaw dla ogólnego narzędzia diagnostycznego do identyfikacji sygnatur oddechowych wielu chorób, w tym niewydolności nerek, raka płuc, choroby Leśniowskiego-Crohna, SM, raka prostaty i jajnika i innych. Ich tablica najpierw ocenia względną obfitość każdego związku w oddechu osoby, a następnie porównuje sygnatury choroby z osobami zdrowymi.
„mamy mieszaninę związków, które charakteryzują daną chorobę, a ten obraz różni się w zależności od choroby”, wyjaśnia Haick. Korzystając z analizy spektrometrii masowej, Grupa najpierw zidentyfikowała specyficzne sygnatury związku dla 17 różnych chorób. Następnie pobrali próbki oddechu ponad 1400 osób, używając SENSORYCZNEGO zestawu nanorurek węglowych i cząstek złota, aby zarejestrować mieszankę związków, które wydychali. Zestaw algorytmów komputerowych rozszyfrował to, co dane im mówiły o obecności lub braku każdej choroby.
wtedy pojawia się sztuczna inteligencja. „Możemy nauczyć system, że odcisk oddechu może być związany z konkretną chorobą”, mówi Haick, który współprowadził badanie. „Działa w ten sam sposób, w jaki wykorzystujemy psy do wykrywania określonych związków. Przyniesiemy coś do nosa psa, a pies przeniesie tę mieszaninę chemiczną do sygnatury elektrycznej i dostarczy ją do mózgu, a następnie zapamięta w określonych regionach mózgu … to jest dokładnie to, co robimy. Pozwalamy mu wyczuć daną chorobę, ale zamiast nosa używamy czujników chemicznych, a zamiast mózgu używamy algorytmów. Następnie w przyszłości, może rozpoznać chorobę, jak pies może rozpoznać zapach.”
Jonathan Beauchamp, fizyk środowiskowy z instytutu Fraunhofer-Institute for Process Engineering and Packaging w Niemczech, powiedział, że technologia ta stanowi obiecujący sposób na pokonanie poważnej przeszkody w analizie oddechu. „Te same voc (lotne związki organiczne) często zapalają się jako markery dla wielu różnych chorób”, mówi. „Rzeczywiście, w społeczności badawczej breath jest obecnie powszechnie akceptowane, że unikalne LZO dla konkretnych chorób są mało prawdopodobne.”
dlatego poszukiwanie stężeń różnych voc względem siebie, jak to zrobili Haick i współpracownicy, może okazać się dokładniejszą metodą diagnostyczną, dodaje. „Wyniki te wykazują wysoką dokładność w rozróżnianiu jednej konkretnej choroby na drugą … Obecne badanie wyraźnie pokazuje moc i obietnicę techniki nanocząstek złota”, mówi.
w badaniu wzięło udział kilkudziesięciu naukowców z 14 instytucji badawczych w pięciu różnych krajach. Jego uczestnicy byli równie zróżnicowani: średnia wieku wynosiła 55 lat; około połowa to mężczyźni, a połowa to kobiety, a około jedna trzecia to aktywni palacze. Uczestnicy rekrutowali się na całym świecie w Stanach Zjednoczonych, Izraelu, Francji, na Łotwie i w Chinach. „Duża liczba przedmiotów na różnych obszarach geograficznych jest naprawdę kluczową siłą tego badania”, mówi Cristina Davis, inżynier biomedyczny, który kieruje Laboratorium bioinstrumentacji na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis.
„większe badania kliniczne, takie jak ten, pomogą przesunąć granice analizy oddechu do przodu i powinny pomóc w stworzeniu obiecujących narzędzi medycznych do praktyki klinicznej”, dodaje Davis, który nie brał udziału w badaniu. „Zebrali oni nową wiedzę na temat spektrometrii mas i połączyli ją ze swoim nowatorskim wyjściem z czujników.”
Haick ma nadzieję, że powszechne testy jego zespołu doprowadzą do powszechnego stosowania nanosystemu. Mówi, że ponieważ jest niedrogi, nieinwazyjny i przenośny, może być używany do szeroko zakrojonego przesiewania chorób. Dzięki badaniom przesiewowym, nawet tych bez objawów, takie narzędzie może umożliwić wczesne interwencje, które prowadzą do lepszych wyników.
ale ten napędzany Sztuczną Inteligencją „nos” może mieć również zastosowania daleko poza diagnostyką medyczną. Kilka firm licencjonowało go już dla innych aplikacji, mówi Haick. Wśród wielu potencjalnych zastosowań nie uważa, że tablica może być używana do kontroli jakości poprzez wykrywanie psucia się żywności. Może być również wykorzystywany do celów bezpieczeństwa na lotniskach, poprzez wykrywanie sygnatur chemicznych urządzeń wybuchowych.
„system jest bardzo czuły i wystarczy go wyszkolić do różnych typów aplikacji”, mówi.