respirația ta teribilă încearcă să—ți spună ceva-și nu doar că este timpul să deschizi o sticlă de Listerină. În acel nor de ceapă și mirosuri vechi de pește de ton sunt sute de compuși chimici, care se combină în gură pentru a crea un raport la fel de unic ca o amprentă digitală. Analizând acest raport, cercetătorii au venit cu un nou mod puternic de a detecta semnăturile diferitelor boli, de la cancerul de prostată la Parkinson.
astăzi, în revista American Chemical Society Nano, cercetătorii dezvăluie o matrice de senzori care identifică și surprinde „amprenta” unică a 17 boli diferite. Cercetătorii speră că gama lor, care utilizează inteligența artificială pentru a potrivi nivelurile și raporturile variate ale 13 compuși chimici cheie Găsiți în respirația umană cu diferite boli, va deschide calea pentru un instrument de diagnostic medical versatil. După ce au prelevat respirația a peste 1.400 de persoane, au descoperit că tehnica lor a fost capabilă să discrimineze între boli cu o precizie de 86%.
știința din spatele mirosului respirației unei persoane se află în suita de compuși chimici organici pe care îi expulzăm în mod obișnuit în aer cu fiecare râs, țipăt sau suspin. Acești compuși vin adesea marcați cu semnele modificărilor biochimice produse de boli specifice—un fenomen care stă la baza diagnosticării moderne a respirației. Problema este, există o mulțime de zgomot de fond pentru a trece prin: Într-un nor de respirație expirată, veți vedea de obicei sute de acești compuși.
medicii antici datând din 400 î.HR. știau că există ceva de spicuit din adulmecarea respirației unei persoane bolnave. Renumitul medic grec Hipocrate, printre alții, obișnuia să miroasă respirația pacienților săi pentru a afla ce îi tulbura. (Și mai rău, unii medici obișnuiau să miroasă urina sau scaunul pacienților lor.) Am devenit puțin mai sofisticați de atunci; analiza respirației a fost folosită cu succes pentru a diagnostica ciroza hepatică, diabetul și cancerul colorectal. Există chiar și un jurnal dedicat cercetării respirației.
dar anterior, astfel de eforturi au fost utilizate în principal pentru a detecta o singură boală. În noul studiu, Hossam Haick, expert în nanotehnologie la Technion—Israel Institute of Technology și câteva zeci de colaboratori internaționali și-au propus să pună bazele unui instrument general de diagnostic pentru a identifica semnăturile respirației multor boli, inclusiv insuficiența renală, cancerul pulmonar, boala Crohn, SM, cancerul de prostată și ovarian și multe altele. Matricea lor evaluează mai întâi abundența relativă a fiecărui compus din respirația unei persoane și apoi compară semnăturile bolii cu indivizii sănătoși.
„avem un amestec de compuși care caracterizează o anumită boală, iar această imagine este diferită de la o boală la alta”, explică Haick. Folosind analiza spectrometriei de masă, grupul a identificat mai întâi semnăturile compuse specifice pentru 17 boli diferite. Au prelevat apoi respirația a peste 1.400 de persoane, folosind o gamă senzorială de nanotuburi de carbon și particule de aur pentru a înregistra amestecul de compuși pe care i-au expirat. O suită de algoritmi de calculator a descifrat ceea ce le-au spus datele despre prezența sau absența fiecărei boli.
atunci intervine inteligența artificială. „Putem învăța sistemul că o amprentă de respirație ar putea fi asociată cu o anumită boală”, spune Haick, care a condus studiul. „Funcționează în același mod în care am folosi câinii pentru a detecta compuși specifici. Aducem ceva în nasul unui câine, iar câinele va transfera acel amestec chimic într-o semnătură electrică și îl va furniza creierului, apoi îl va memora în anumite regiuni ale creierului … exact asta facem. Îl lăsăm să miroasă o anumită boală, dar în loc de nas folosim senzori chimici, iar în loc de creier folosim algoritmii. Apoi, în viitor, poate recunoaște boala așa cum un câine ar putea recunoaște un miros.”
Jonathan Beauchamp, fizician de mediu la Fraunhofer-Institute for Process Engineering and Packaging din Germania, a declarat că tehnologia prezintă o modalitate promițătoare de a depăși un obstacol major în analiza respirației. „Aceiași Cov (compuși organici volatili) se aprind adesea ca markeri pentru multe boli diferite”, spune el. „Într-adevăr, acum este acceptat pe scară largă în cadrul comunității de cercetare a respirației că este puțin probabil să existe COV-uri unice pentru boli specifice.”
prin urmare, căutarea concentrațiilor diferitelor COV în raport unul cu celălalt, așa cum au făcut Haick și colegii săi, poate dovedi metoda de diagnostic mai precisă, adaugă el. „Aceste rezultate demonstrează o precizie ridicată în discriminarea unei anumite boli împotriva alteia … Studiul actual demonstrează clar puterea și promisiunea tehnicii matricei de nanoparticule de aur”, spune el.
studiul a implicat zeci de cercetători din 14 instituții de cercetare din cinci țări diferite. Participanții săi au fost la fel de diferiți: vârsta medie a fost de 55 de ani; aproximativ jumătate erau bărbați și jumătate erau femei; și aproximativ o treime erau fumători activi. Participanții au fost recrutați în întreaga lume în Statele Unite, Israel, Franța, Letonia și China. „Numărul mare de subiecți pe zone geografice variate este într-adevăr un punct forte al acestui studiu”, spune Cristina Davis, inginer biomedical care conduce laboratorul de bioinstrumentare de la Universitatea din California din Davis.
„studii clinice mai mari ca acesta vor ajuta la împingerea limitelor analizei respirației înainte și ar trebui să conducă la Instrumente medicale promițătoare pentru practica clinică”, adaugă Davis, care nu a fost implicat în studiu. „Au luat noi cunoștințe de spectrometrie de masă și le-au cuplat la noua lor ieșire a senzorului.”
Haick speră că testarea pe scară largă a echipei sale va duce la utilizarea pe scară largă a nanosistemului. El spune că, deoarece este accesibil, neinvaziv și portabil, ar putea fi folosit pentru a examina pe scară largă boala. Prin screening-ul chiar și a celor fără simptome, un astfel de instrument ar putea permite tipurile de intervenții timpurii care duc la rezultate mai bune.
dar acest „Nas” alimentat de AI ar putea avea, de asemenea, aplicații mult dincolo de diagnosticul medical. Mai multe companii l-au autorizat deja pentru alte aplicații, spune Haick. Printre numeroasele utilizări potențiale, el spune că matricea ar putea fi utilizată pentru Controlul Calității prin detectarea alterării alimentelor. Ar putea fi folosit și pentru securitatea aeroporturilor, prin detectarea semnăturilor chimice ale dispozitivelor explozive.
„sistemul este extrem de sensibil și trebuie doar să-l antrenezi la diferite tipuri de aplicații”, spune el.