Запах как биомаркер болезней. 9 анализаторов дыхания нового поколения

Представьте себе мир, в котором вы забудете о многочисленных утомительных, инвазивных тестах, которые вам приходится проходить, когда вы подозреваете, что что-то не в порядке с вашим здоровьем. Вместо этого, ваш смартфон или носимое устройство говорит вам о том, что что-то не так, прежде чем у вас появятся какие-либо симптомы, и предлагает вам посетить своего участкового врача, чтобы обсудить с ним возникшую проблему. Это позволит вам выиграть драгоценное время, чтобы победить болезнь. Однажды, возможно, вас так предупредит сенсор, который имплантирован в ваше тело, чтобы следить за здоровьем, или привычный всем смартфон.

Такой мир не так уж далеко в будущем. Большая часть технологии уже существует, и она, в частности, опирается на ресурс, который находится с нами с самого начала человечества: наш собственный запах. Ученые считают, что проникновение в этот скрытый мир запахов может проложить путь к серьезным изменениям в нашем подходе к здравоохранению.

Мы постоянно выделяем "ауру"" сотен летучих химических веществ из кожи, дыхания и даже кишечника. Каждый запах состоит из сложного коктейля различных соединений с множеством ингредиентов. Как правило, эти запахи слишком слабые для нас, но для животных мы являемся облаками запахов на ногах, и они могут обнаружить, когда наш запах отличается от обычного. Это жизненно важно, потому что по мнению ученых, когда мы нездоровы, наш уникальный запах меняется, причем каждое заболевание может даже иметь свою собственную "подпись" в запахе.

Сейчас уже несколько команд исследователей разрабатывают цифровые устройства класса "электронный нос", которые специально создаются для того, чтобы вынюхать характерный запах болезни или другие биомаркеры, позволяющие определить наше состояние в конкретный момент. И в этом обзоре мы хотим познакомить вас с некоторыми подобными системами.

Диагностика рака

Группа ученых из нескольких университетов Швейцарии и японского Национального института материаловедения разрабатывает сенсор, который должен будет встраиваться в мобильный телефон и будет способен обнаруживать рак, анализируя запах изо рта. Этот миниатюрный чип должен определять, присутствуют ли определенные субстанции, связанные с раком, в дыхании пользователя и рассчитывать вероятность, что у него есть онкологическое заболевание. Результат будет визуализироваться на экране телефона.

Новый чип - это датчик с поверхностным напряжением мембранного типа, состоящий из массива чувствительных элементов для обнаружения определенных молекул в газообразной фазе. По мнению японских специалистов, этот сенсор в будущем сможет различать различные типы рака и, кроме того, он сможет определять запахи, связанные с диабетом, заболеваниями почек и печени, а также астмы.

Ученые надеются, что готовое изделие на базе этой технологии появится на рынке уже в 2022 году.

Аналогичное устройство, получившее название NaNose, разработали и ученые из израильского Нанотехнологического института Рассела Берри. Оно уже проверено в клинических исследованиях и показала свою эффективность в предсказании и диагностировании рака. Исследования показали, что у пациентов с раком, а также у тех, кому грозит опасность этого заболевания в высокой степени вероятности, дыханием имело отличительные признаки или “отпечатки". При этом NaNose позволяет легко отличить здоровых людей или, скажем, людей с предраковым состоянием желудка, от пациентов с ранней стадией рака, используя для этого измерение концентрации восьми специфических веществ в ротовой полости. Метод отличается чувствительностью в 73% и точностью в 92%. Причем точность диагноза не зависела от других факторов, таких как возраст, пол, привычка к курению, потребляемый алкоголь или использование антиоксидантных препаратов.

Сам прибор похож на алкотестер со встроенным наночипом NaNose, который анализирует выдыхаемый человеком воздух, идентифицируя вид опухоли и стадию ее развития.

Кстати, этот же чип используется в системе компании NanoScent и предназначается для встраивания в смартфон. По словам разработчиков, с помощью этого устройства "вы можете вынюхать свою истинную любовь, обнаружить наступление периода фертильности или беременности, проанализировать пищу или получить сообщение, что вам полезно было бы уже сходить в душ". Нас притягивает к определенным людям их запах, и разрабатываемое компанией приложение поможет использовать эту возможность и эти запахи. Т.е. теперь можно найти идеального партнера для себя, просто основываясь на его профиле запаха. А для косметического рынка можно использовать способность Nanoscent анализировать уникальные запахи тела пользователей для того, чтобы предлагать им мыло, парфюмерию или косметику, которые наиболее подходят именно им.

Диагностика гриппа

Ученые из Техасского университета в Арлингтоне (США) разработали прототип анализатора дыхания, который может обнаруживать признаки вирусной инфекции, а именно гриппа, в выдыхаемом пациентом воздухе.

Это компактный и недорогой в производстве прибор, похожий на обычный алкотестер, поэтому он потенциально может использоваться кем угодно просто у себя дома. При этом все данные могут быть переданы удаленному врачу и напрямую в систему электронных медицинских карт.

Новое устройство использует тот факт, что инфицированные гриппом люди выдыхают специфическую смесь органических веществ и оксида азота, связанную с инфекцией в легких. Оно содержит три сенсора - для обнаружения изопрена, аммиака и нитрида оксида. По мере развития болезни уровень этих веществ в дыхании больного изменяется, поэтому этот компактный прибор потенциально может использоваться и для мониторинга развития гриппа во времени.

Устройство пока находится на стадии прототипа и продолжает дорабатываться. По мнению исследователей, их прибор может использоваться как платформенная технология и за счет замены сенсоров может применяться для обнаружения и других вирусных инфекций.

Диагностика острых респираторных заболеваний

Острый респираторный дистресс-синдром - это состояние, при котором жидкость просачивается в легкие и накапливается в альвеолах внутри. Это быстро прогрессирующее состояние, которое часто приводит к терминальным последствиям, однако диагностика и мониторинг этой проблемы затруднены.

Американские исследователи из Мичиганского университета разработали портативное устройство, которое анализирует дыхание пациента, чтобы получить быстрые и объективные результаты, которые могут помочь справиться с болезнью.

Система, использующая технологию газовой хроматографии, не превышает по своим размерам портфель. Она может выполнять анализ от начала до конца примерно за полчаса, обеспечивая результаты с точностью до 90% по сравнению с существующими методами. Это значительно лучше, чем использование анализов крови и поиск изменений в рентгенографии грудной клетки.

Новое устройство подключается к трубке выдоха аппарата искусственной вентиляции лёгких, отбирая пробы с целью обнаружения примерно 100 различных органических соединений по мере их выдоха пациентом. Система обнаруживает и измеряет концентрации этих соединений и обеспечивает непрерывное считывание показаний врачами.

В системе используется алгоритм машинного обучения, на основе которого были разработаны система анализа основных компонентов выдоха пациента. Устройство уже сегодня, на стадии прототипа, выдает результаты со средней точностью 87,1% при 94,1% положительном прогнозном значении и 82,4% отрицательном прогнозном значении.

Контроль пищевой непереносимости

Американская компания FoodMarble разработала устройство FoodMarble AIRE, которое позволяет определять содержание водорода в дыхании, что можно использовать для идентификации пищевых продуктов, которые трудно перевариваются пользователем.

Некоторые пищевые продукты, которые не воспринимаются организмом, вызывают накопление газов в кишечнике. Когда пользователь выдыхает в устройство, оно определяет уровень FODMAP (ферментирующихся олиго-, ди- и моносахаридов и полиолов) - углеводов специфического рода, которые есть в многих видах пищи и которые легко ферментируются, что приводит к образованию газов в кишечнике. Этот газ, в частности, попадает в кровоток, а затем через легкие выходит наружу и здесь может быть измерен с помощью устройства AIRE. Система определяет наличие водорода и затем отправляет результаты в приложение, которое позволяет пользователям сохранять результаты измерений, связывать их с определенными продуктами питания и понимать, что означают результаты.

Это устройство предназначено в первую очередь для людей, страдающих вздутием живота, болями в животе, диареей и запорами, а также для тех, кто подозревает, что у них пищевая аллергия или непереносимость. Поэтому для людей, имеющих проблемы с глютеном или кислотным рефлюксом, это устройство не подойдет.

Определение персонального плана питания

Израильская компания Lumen разработала одноименное устройство, которое предназначено для людей, желающих управлять своим питанием и весом. Достаточно только выдохнуть в это устройство, напоминающее обычный алкотестер, и можно получить персональный план питания, который позволит сбросить вес и достигнуть своих целей в фитнесе.

Каждое утро необходимо подуть в верхнюю часть Lumen и сопутствующее устройству приложение покажет ваши целевые показатели в количестве потребленных углеводов, а также свои рекомендации, касающиеся еды и "перекусов". Для того, чтобы помочь вам выполнить эти рекомендации, приложение имеет функцию "поиска еды", которая позволяет взглянуть на определенный вид еды и понять, сколько углеводов в нем содержится. В дополнение к этому, приложение позволяет отправить фотографию вашей еды специалисту по питанию и получить обратную связь, позволяющую понять мнение эксперта по этому поводу.

Путем анализа выдыхаемого воздуха Lumen измеряет количество образовавшейся двуокиси углерода и усвоенного кислорода в дыхании пользователя для того, чтобы рассчитать, сколько энергии образуется от потребленных углеводов и жира.

Имея такую информацию, Lumen разрабатывает и курирует персональный план для пользователя, при этом нет необходимости постоянно вводить в приложение данные о своем питании и активности. Используя технологию искусственного интеллекта, который адаптируется к привычкам питания и поведению пользователя, устройство начинает учить его понимать свое тело - анализировать соотношение углеводов и жира и узнавать, когда лучше всего использовать источники энергии для получения максимально полезного результата.

Контроль гигиены рта

Компания Breathometer производит и продает устройство, получившее название Mint и предназначенное для контроля здоровья полости рта и уровня гидратации. В устройстве используется датчики, измеряющие количество летучих сернистых соединений во рту, являющиеся побочным продуктом деятельности вредоносных бактерий, которые мы не хотели бы там видеть.

Летучие сернистые соединения, которые измеряет устройство, образуются за счет деятельности анаэробных бактерий во рту человека. Количество этих соединений может увеличиваться и за счет определённых напитков и видов пищи, они также могут свидетельствовать о кариесе и заболеваниях десен. В любом случае с этими соединениями связан дурной запах изо рта, что повышает тревожность человека и влияет на его взаимоотношения с обществом.

Устройство работает в связке с мобильным приложением, которое визуализирует результаты измерений, а также предоставляет рекомендации по питанию, гигиене и обучающие средства, основываясь на уровне бактерий во рту пользователя.

Кроме кнопки питания на самом устройстве, все элементы управления находятся в прилагаемом приложении. Приложение также хранит все ранее сделанные замеры и позволяет просматривать тенденции в течение нескольких недель и месяцев.

Мониторинг приема алкоголя

Это наиболее привычная нам технология, давно используемая во всем мире. Тем не менее и эти устройства меняются и получают новый функционал. В частности, компания Soberlink выпустила устройство Soberlink Connect, которое предназначено для мониторинга потребления алкоголя при реабилитации. Этот анализатор дыхания представляет собой подключаемый по мобильной сети алкотестер, который при использовании одновременно делает фотографию пользователя и отсылает ее вместе с данными измерений и GPS-координатами в облачную платформу. Там, в соответствующем приложении, используется алгоритм распознавания лица, который автоматически идентифицирует пользователя путем сравнения полученного изображения с фотографиями, которые были сделаны в начале реабилитационного периода, и может легко распознать фальсификацию. Система распознавания лиц очень точная и автоматически адаптируется к небольшим изменениям, которые появляются в лице по самым разным причинам.

Программа отсылает сообщение персоналу реабилитационного центра, если есть свидетельства того, что пациент находится в зоне высокого риска рецидива. Сообщение также отсылается, если пациент потребил алкоголь, поскольку, по данным MAP Health, 54.6% всех острых рецидивов после лечения связаны с потреблением алкоголя, вне зависимости от используемых лекарств.

Контроль курения при реабилитации

Американская компания Carrot выпустила беспроводной анализатор дыхания Carbon Monoxide Breath Sensor System, который может использоваться в программах помощи желающим бросить курить. Этот прибор, предназначенный для домашнего использования, может помочь людям больше узнать о своих привычках курения и использовать эту информацию для того, чтобы избавиться от этой пагубной привычки.

Устройство Carrot позволяет курильщику отслеживать уровень окиси углерода (CO) в своем дыхании и видеть, как на этот параметр влияет его привычки курения. Этот анализатор дыхания работает совместно с недавно разработанным приложением Pivot для помощи бросающим курить, к которому он подключается посредством Bluetooth.

Приложение предназначено для того, чтобы усилить мотивацию курильщика к тому, чтобы бросить курение, и обеспечить ему долговременную поддержку. Оно включает в себя 58-недельную программу отказа от курения, поддерживаемую когнитивно-поведенческой терапией, фармакологическим обучением и участием реальных инструкторов.