Kauhea hengityksesi yrittää kertoa sinulle jotain - eikä vain, että on aika murtaa avata pullon listeriini. Tuossa sipulipilven ja tunkkaisen tonnikalan hajuhavainnossa on satoja kemiallisia yhdisteitä, jotka yhdistyvät suussasi muodostaen yhtä ainutlaatuisen suhteen kuin sormenjälki. Analysoimalla tätä suhdetta tutkijat ovat keksineet tehokkaan uuden tavan havaita eri tautien allekirjoitukset eturauhassyövästä Parkinsonin tautiin.
Asiaan liittyvä sisältö
- Historia ja tiede kauhean hengityksen takana
- Kuinka halitoosista tuli lääketieteellinen tila "parannuskeinolla"
Tänään American Chemical Society Nano -lehdessä tutkijat paljastavat anturijärjestelmän, joka tunnistaa ja kaappaa 17 eri taudin ainutlaatuisen ”hengähdyskuvan”. Tutkijat toivovat, että heidän joukko, joka käyttää tekoälyä ihmisen hengityksessä havaittujen 13 keskeisen kemiallisen yhdisteen vaihtelevien pitoisuuksien ja suhteiden yhteensovittamiseksi eri sairauksiin, tasoittaa tietä monipuoliseen lääketieteelliseen diagnostiikkatyökaluun. He ottivat näytteen yli 1400 ihmisen hengityksestä. He huomasivat, että heidän tekniikkansa kykeni erottamaan sairaudet 86 prosentin tarkkuudella.
Tiede ihmisen hengityksen tuoksun takana on orgaanisten kemiallisten yhdisteiden sarja, jonka karkotamme säännöllisesti ilmaan jokaisella naurulla, huutamalla tai huokaisemalla. Nämä yhdisteet on usein merkitty biokemiallisten muutosten merkillä, jotka johtuvat erityisistä sairauksista - ilmiöstä, joka muodostaa perustan nykyaikaiselle hengitysdiagnostiikalle. Ongelmana on, että läpi on poistettava paljon taustamelua: Hengitetyn hengityksen pilvessä näet tyypillisesti satoja näitä yhdisteitä.
Muinaiset lääkärit, jotka olivat peräisin vuodesta 400 eKr., Tiesivät, että sairaan hengityksen nuuskaamisesta oli jotain parannettavaa. Tunnettu kreikkalainen lääkäri Hippocrates, muun muassa, haisi potilaidensa hengitystä saadakseen selville, mikä heitä kärsi. (Vielä pahempaa, joillakin lääkäreillä oli tapana haistaa potilaidensa virtsaa tai ulosteita.) Olemme sittemmin saaneet hiukan kehittyneempiä; hengitysanalyysiä on käytetty menestyksekkäästi maksakirroosin, diabeteksen ja kolorektaalisyövän diagnosointiin. Siellä on jopa omistettu Journal of Breath Research .
Mutta aikaisemmin tällaisia ponnisteluja on käytetty pääasiassa yhden taudin havaitsemiseksi. Uudessa tutkimuksessa Hossam Haick, nanoteknologian asiantuntija Technion-Israel Institute of Technology -yrityksessä, ja useat tusinat kansainvälistä yhteistyökumppania pyrkivät luomaan perustan yleiselle diagnostiikkatyökalulle monien sairauksien, kuten munuaisten vajaatoiminnan, keuhkosyövän, hengityselinten tunnistamiseksi. Crohnin tauti, MS, eturauhasen ja munasarjasyöpä ja enemmän. Heidän ryhmänsä arvioi ensin kunkin yhdisteen suhteellisen runsauden ihmisen hengityksessä ja vertaa sitten taudin allekirjoituksia terveisiin yksilöihin.
"Meillä on sekoitus yhdisteitä, jotka luonnehtivat tiettyä sairautta, ja tämä kuva on erilainen sairaudesta toiseen", Haick selittää. Ryhmä identifioi ensin spesifiset yhdisteiden allekirjoitukset 17 eri sairaudelle käyttämällä massaspektrometrianalyysiä. Sitten he ottivat näytteitä yli 1400 ihmisen hengityksestä käyttämällä aistinvaraista ryhmää hiilinanoputkia ja kultahiukkasia rekisteröimään, minkä yhdistelmäseoksen he hengittivät. Joukko tietokonealgoritmeja salasi sen, mitä tiedot kertoivat heille kunkin sairauden esiintymisestä tai puuttumisesta.
Silloin tekoäly tulee sisään. "Me voimme opettaa järjestelmälle, että hengitysvedos voi liittyä tiettyyn sairauteen", kertoo tutkimusta yhdessä johtanut Haick. ”Se toimii samalla tavalla kuin käyttäisimme koiria tiettyjen yhdisteiden havaitsemiseksi. Tuomme jotain koiran nenään, ja koira siirtää kyseisen kemiallisen seoksen sähköiseen allekirjoitukseen ja toimittaa sen aivoille ja muistaa sen sitten tietyillä aivoalueilla… Tätä juuri teemme. Annamme sen haistaa tietyn sairauden, mutta nenän sijaan käytämme kemiallisia antureita, ja aivojen sijaan käytämme algoritmeja. Sitten tulevaisuudessa se voi tunnistaa taudin, koska koira voi tunnistaa tuoksun. ”
Saksalaisen Fraunhofer-prosessitekniikan ja pakkaamisen instituutin ympäristöfyysikko Jonathan Beauchamp kertoi, että tekniikka on lupaava tapa ylittää merkittävä este hengitysanalyysissä. "Samat VOC (haihtuvat orgaaniset yhdisteet) syttyvät usein merkkinä monille eri sairauksille", hän sanoo. "Itse asiassa hengitystutkimusyhteisössä on nyt yleisesti hyväksytty, että tietyille sairauksille ainutlaatuisia VOC-yhdisteitä ei todennäköisesti ole."
Siksi erilaisten VOC-pitoisuuksien etsiminen suhteessa toisiinsa, kuten Haick ja hänen kollegansa tekivät, voivat osoittautua tarkempaan diagnoosimenetelmään, hän lisää. "Nämä tulokset osoittavat korkean tarkkuuden erotettaessa tiettyä sairautta toista vastaan ... Tämä tutkimus osoittaa selvästi kullan nanohiukkasten ryhmätekniikan voiman ja lupauksen", hän sanoo.
Tutkimukseen osallistui kymmeniä tutkijoita, jotka toimivat 14 tutkimuslaitoksessa viidessä eri maassa. Sen osallistujat olivat yhtä monipuoliset: Keskimääräinen ikä oli 55 vuotta; noin puolet oli miehiä ja puolet naisia; ja noin kolmasosa oli aktiivisia tupakoitsijoita. Osallistujia rekrytoitiin ympäri maailmaa Yhdysvalloissa, Israelissa, Ranskassa, Latviassa ja Kiinassa. "Suuri tutkittavien lukumäärä monilla maantieteellisillä alueilla on todellakin tämän tutkimuksen avainvoima", sanoo biolääketieteen insinööri Cristina Davis, joka johtaa Davisin Kalifornian yliopiston bioinstrumentointilaboratoriota.
"Tällaiset suuret kliiniset tutkimukset auttavat siirtämään hengitysanalyysin rajoja eteenpäin, ja niiden pitäisi auttaa johtamaan lupaavia lääketieteellisiä välineitä kliiniseen käytäntöön", lisää Davis, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. "He ovat ottaneet uuden massaspektrometriatiedon ja kytkeneet sen uuteen anturilähtöön."
Haick toivoo, että hänen ryhmänsä laajamittainen testaus johtaa nanosysteemin laajaan käyttöön. Hän sanoo, että koska se on edullinen, ei-tunkeutuva ja kannettava, sitä voidaan käyttää tautien seulontaan laajasti. Seulomalla jopa ne, joilla ei ole oireita, tällainen työkalu voisi mahdollistaa aikaisempien interventioiden tyypit, jotka johtavat parempiin tuloksiin.
Mutta tällä AI-polttoaineella käytettävällä "nenällä" voi olla myös sovelluksia kaukana lääketieteellisestä diagnostiikasta. Useat yritykset ovat jo lisensoineet sen muihin sovelluksiin, Haick sanoo. Monien potentiaalisten käyttötapojen joukossa hän huomauttaa, että taulukkoa voitaisiin käyttää laadunvalvontaan havaitsemalla ruoan pilaantuminen. Sitä voidaan käyttää myös lentokenttien turvallisuuteen havaitsemalla räjähteiden kemialliset allekirjoitukset.
"Järjestelmä on erittäin herkkä, ja sinun täytyy vain kouluttaa se erityyppisiin sovelluksiin", hän sanoo.
