Din forfærdelige åndedrag forsøger at fortælle dig noget - og ikke bare at det er tid til at knække en flaske Listerine op. Inden i skyen af løg og uaktuelle tunfisklugt findes hundreder af kemiske forbindelser, der kombineres i din mund for at skabe et forhold, der er så unikt som et fingeraftryk. Ved at analysere dette forhold har forskere fundet en kraftfuld ny måde at opdage underskrifter på forskellige sygdomme, fra prostatacancer til Parkinson.
Relateret indhold
- Historien og videnskaben bag dit frygtelige åndedrag
- Hvordan halitosis blev en medicinsk tilstand med en "kur"
I tidsskriftet American Chemical Society Nano afslører forskere i dag en sensorrække, der identificerer og fanger det unikke "åndedrætsværn" af 17 forskellige sygdomme. Forskerne håber, at deres matrix, der bruger kunstig intelligens til at matche de forskellige niveauer og forhold mellem 13 centrale kemiske forbindelser, der findes i menneskers åndedrag, til forskellige sygdomme, vil bane vejen for et alsidigt medicinsk diagnostisk værktøj. Efter at have taget prøve på mere end 1.400 menneskers åndedrag, fandt de, at deres teknik var i stand til at skelne mellem sygdomme med 86 procents nøjagtighed.
Videnskaben bag duften af en persons åndedrag ligger inden i pakken med organiske kemiske forbindelser, som vi rutinemæssigt udviser i luften med hver latter, råb eller suk. Disse forbindelser er ofte markeret med tegn på biokemiske ændringer, der er foretaget af specifikke sygdomme - et fænomen, der danner grundlaget for moderne åndedrætsdiagnostik. Problemet er, at der er en masse baggrundsstøj at sile igennem: I en sky med udåndet åndedræt ser du typisk hundredvis af disse forbindelser.
Gamle læger, der stammer tilbage til 400 f.Kr., vidste, at der var noget at hente ved at snude en syge persons åndedrag. Den berømte græske læge Hippokrates brugte blandt andet at lugte hans patients ånde for at finde ud af, hvad der var ondt i dem. (Endnu værre var, at nogle læger lugtede deres patients urin eller afføring). Vi er blevet lidt mere sofistikerede siden da; der er med succes anvendt åndedrætsanalyse til at diagnosticere skrumpelever, diabetes og tyktarmskræft. Der er endda en dedikeret Journal of Breath Research .
Men tidligere har sådanne bestræbelser hovedsageligt været brugt til at påvise en enkelt sygdom. I den nye undersøgelse var Hossam Haick, en nanotek-ekspert ved Technion — Israel Institute of Technology, og adskillige dusin internationale samarbejdspartnere med det formål at lægge grunden til et generelt diagnostisk værktøj til at identificere åndedrætsunderskrifter fra mange sygdomme, herunder nyresvigt, lungekræft, Crohns sygdom, MS, prostatakræft og æggestokkræft med mere. Deres matrix vurderer først hver forbindelses relative overflod inden for en persons åndedrag og sammenligner derefter sygdomsunderskrifter med raske individer.
”Vi har en blanding af forbindelser, der karakteriserer en given sygdom, og dette billede er forskelligt fra en sygdom til en anden, ” forklarer Haick. Ved hjælp af massespektrometri-analyse identificerede gruppen først de specifikke forbindelsesunderskrifter for 17 forskellige sygdomme. Derefter prøvede de vejrtrækningen fra mere end 1.400 mennesker ved hjælp af en sensorisk række af kulstofnanorør og guldpartikler for at registrere, hvilken blanding af forbindelser de udåndede. En pakke af computeralgoritmer dekrypterede, hvad dataene fortalte dem om tilstedeværelsen eller fraværet af hver sygdom.
Det er når den kunstige intelligens kommer ind. ”Vi kan lære systemet, at et åndedrætsværn kan være forbundet med en bestemt sygdom, ” siger Haick, der medledede undersøgelsen. ”Det fungerer på samme måde som vi bruger hunde til at detektere specifikke forbindelser. Vi bringer noget til en hundes næse, og hunden overfører den kemiske blanding til en elektrisk signatur og leverer det til hjernen og husker det derefter i bestemte regioner i hjernen ... Det er præcis, hvad vi gør. Vi lader det lugte af en given sygdom, men i stedet for en næse bruger vi kemiske sensorer, og i stedet for hjernen bruger vi algoritmerne. Så i fremtiden kan den genkende sygdommen, som en hund måske genkender en duft. ”
Jonathan Beauchamp, miljøfysiker ved Fraunhofer-Institut for Process Engineering and Packaging in Germany, sagde, at teknologien er en lovende måde at overgå et stort hinder i åndedrætsanalyse. ”De samme VOC'er (flygtige organiske forbindelser) lyser ofte op som markører for mange forskellige sygdomme, ” siger han. ”Det er faktisk almindeligt accepteret inden for åndedrætssamfundet, at det usandsynligt er, at der findes unikke VOC'er for specifikke sygdomme.”
Derfor kan søgning efter koncentrationer af forskellige VOC'er i relation til hinanden, som Haick og kolleger gjorde, være den mere nøjagtige diagnostiske metode, tilføjer han. ”Disse resultater demonstrerer stor nøjagtighed i at diskriminere en specifik sygdom mod en anden ... Den nuværende undersøgelse demonstrerer tydeligt kraften og løftet med den gyldne nanopartikel array-teknik, ” siger han.
Undersøgelsen involverede snesevis af lærde baseret på 14 forskningsinstitutioner i fem forskellige lande. Deltagerne var lige forskellige: Middelalderen var 55; omkring halvdelen var mandlige og halvdelen kvindelige; og omkring en tredjedel var aktive rygere. Deltagerne blev rekrutteret over hele verden i USA, Israel, Frankrig, Letland og Kina. ”Det store antal emner over forskellige geografiske områder er virkelig en nøglestyrke i denne undersøgelse, ” siger Cristina Davis, en biomedicinsk ingeniør, der leder bioinstrumentationslaboratoriet ved University of California i Davis.
”Større kliniske forsøg som dette vil hjælpe med at skubbe grænserne for åndedrætsanalyse fremad og bør hjælpe med til at føre til lovende medicinske værktøjer til klinisk praksis, ” tilføjer Davis, som ikke var involveret i undersøgelsen. "De har taget ny viden om massespektrometri og koblet den til deres nye sensorudgang."
Haick håber, at hans teams omfattende test vil føre til udbredt brug af nanosystemet. Han siger, at fordi det er overkommelig, ikke-invasivt og bærbart, kan det bruges til at screene vidt for sygdomme. Ved at screene selv dem uden symptomer, kunne et sådant værktøj muliggøre de typer af tidlige interventioner, der fører til bedre resultater.
Men denne AI-brændstof "næse" kan muligvis også have applikationer langt ud over medicinsk diagnostik. Flere virksomheder har allerede licenseret det til andre applikationer, siger Haick. Blandt de mange potentielle anvendelser bemærker han, at matrixen kunne bruges til kvalitetskontrol ved at opdage forringelse af fødevarer. Det kan også bruges til sikkerhed i lufthavne ved at detektere de kemiske underskrifter på eksplosionsanordninger.
”Systemet er meget følsomt, og du skal bare træne det til forskellige typer applikationer, ” siger han.
