din hemska andedräkt försöker berätta något för dig—och inte bara att det är dags att knäcka upp en flaska Listerine. Inom det moln av lök och inaktuella tonfisk lukt finns hundratals kemiska föreningar, som kombinerar i munnen för att skapa ett förhållande lika unikt som ett fingeravtryck. Genom att analysera det förhållandet har forskare kommit fram till ett kraftfullt nytt sätt att upptäcka signaturerna av olika sjukdomar, från prostatacancer till Parkinsons.
idag i tidskriften American Chemical Society Nano avslöjar forskare en sensoruppsättning som identifierar och fångar det unika ”andningsavtrycket” av 17 olika sjukdomar. Forskarna hoppas att deras array, som använder artificiell intelligens för att matcha de olika nivåerna och förhållandena för 13 viktiga kemiska föreningar som finns i mänsklig andning till olika sjukdomar, kommer att bana väg för ett mångsidigt medicinskt diagnostiskt verktyg. Efter provtagning av andan hos mer än 1400 personer fann de att deras teknik kunde diskriminera bland sjukdomar med 86 procent noggrannhet.
vetenskapen bakom doften av en persons andetag ligger inom sviten av organiska kemiska föreningar som vi rutinmässigt utvisar i luften med varje skratt, skrik eller suck. Dessa föreningar kommer ofta märkta med tecken på biokemiska förändringar som åstadkoms av specifika sjukdomar-ett fenomen som ligger till grund för modern andningsdiagnostik. Problemet är att det finns mycket bakgrundsbrus att sikta igenom: I ett moln av utandad andedräkt ser du vanligtvis hundratals av dessa föreningar.
forntida läkare som går tillbaka till 400 F.kr. visste att det fanns något att hämta från att sniffa en sjuk persons andetag. Den berömda grekiska läkaren Hippokrates, bland andra, brukade lukta sina patienters andetag för att ta reda på vad som orsakade dem. (Ännu värre, vissa läkare brukade lukta sina patienters urin eller avföring.) Vi har blivit lite mer sofistikerade sedan dess; andningsanalys har framgångsrikt använts för att diagnostisera levercirros, diabetes och kolorektal cancer. Det finns till och med en dedikerad Journal of Breath Research.
men tidigare har sådana ansträngningar huvudsakligen använts för att upptäcka en enda sjukdom. I den nya studien, Hossam Haick, en nanotech expert på Technion—Israel Institute of Technology, och flera dussin internationella medarbetare som syftar till att lägga grunden för ett allmänt diagnostiskt verktyg för att identifiera andetag signaturer av många sjukdomar, inklusive njursvikt, lungcancer, Crohns sjukdom, MS, prostata och äggstockscancer, och mer. Deras array bedömer först varje förenings relativa överflöd i en persons andetag och jämför sedan sjukdomssignaturer mot friska individer.
”vi har en blandning av föreningar som karakteriserar en given sjukdom, och den här bilden skiljer sig från en sjukdom till en annan”, förklarar Haick. Med hjälp av masspektrometrianalys identifierade gruppen först de specifika sammansatta signaturerna för 17 olika sjukdomar. De samplade sedan andan av mer än 1,400-personer, med hjälp av en sensorisk uppsättning kolnanorör och guldpartiklar för att registrera vilken blandning av föreningar de utandade. En serie datoralgoritmer dechiffrerade vad data berättade för dem om närvaron eller frånvaron av varje sjukdom.
det är då den artificiella intelligensen kommer in. ”Vi kan lära systemet att ett andningsavtryck kan associeras med en viss sjukdom”, säger Haick, som ledde studien. ”Det fungerar på samma sätt som vi skulle använda hundar för att upptäcka specifika föreningar. Vi tar med något till näsan på en hund, och hunden kommer att överföra den kemiska blandningen till en elektrisk signatur och ge den till hjärnan och sedan memorera den i specifika regioner i hjärnan … det är precis vad vi gör. Vi låter det lukta en viss sjukdom men istället för en näsa använder vi kemiska sensorer, och istället för hjärnan använder vi algoritmerna. Sedan i framtiden kan det känna igen sjukdomen som en hund kan känna igen en doft.”
Jonathan Beauchamp, en miljöfysiker vid Fraunhofer-Institutet för processteknik och förpackning i Tyskland, sa att tekniken ger ett lovande sätt att överträffa ett stort hinder i andningsanalys. ”Samma voc (flyktiga organiska föreningar) tänds ofta som markörer för många olika sjukdomar”, säger han. ”Det är faktiskt nu allmänt accepterat inom andningsforskningssamhället att unika voc för specifika sjukdomar sannolikt inte finns.”
därför kan sökning efter koncentrationer av olika VOC i förhållande till varandra, som Haick och kollegor gjorde, visa sig vara den mer exakta diagnostiska metoden, tillägger han. ”Dessa resultat visar hög noggrannhet vid diskriminering av en specifik sjukdom mot en annan … Den aktuella studien visar tydligt kraften och löftet om guld nanopartikel array teknik”, säger han.
studien involverade dussintals forskare baserade på 14 forskningsinstitutioner i fem olika länder. Deltagarna var lika olika: medelåldern var 55; ungefär hälften var män och hälften kvinnor; och ungefär en tredjedel var aktiva rökare. Deltagare rekryterades runt om i världen i USA, Israel, Frankrike, Lettland och Kina. ”Det stora antalet ämnen över olika geografiska områden är verkligen en viktig styrka i denna studie”, säger Cristina Davis, en biomedicinsk ingenjör som leder bioinstrumentation lab vid University of California i Davis.
”större kliniska prövningar som detta kommer att bidra till att driva gränserna för andningsanalys framåt och bör hjälpa till att leda till lovande medicinska verktyg för klinisk praxis”, tillägger Davis, som inte var inblandad i studien. ”De har tagit ny kunskap om masspektrometri och kopplat den till sin nya sensorutgång.”
Haick hoppas att hans lags utbredda testning kommer att leda till utbredd användning av nanosystemet. Han säger att eftersom det är överkomligt, icke-invasivt och bärbart, kan det användas för att screena i stor utsträckning för sjukdom. Genom att screena även de utan symtom kan ett sådant verktyg möjliggöra de typer av tidiga ingrepp som leder till bättre resultat.
men denna AI-drivna ”näsa” kan också ha applikationer långt bortom medicinsk diagnostik. Flera företag har redan licensierat det för andra applikationer, säger Haick. Bland de många potentiella användningarna noes han att matrisen kan användas för kvalitetskontroll genom att upptäcka matförstöring. Det kan också användas för säkerhet på flygplatser, genom att upptäcka kemiska signaturer av explosiva anordningar.
”systemet är mycket känsligt, och du behöver bara träna det till olika typer av applikationer”, säger han.