Новый датчик способен обнаруживать пневмонию по запаху изо рта человека

Фото из открытых источников

В будущем, возможно, отпадет необходимость ждать результатов рентгеновских снимков грудной клетки или лабораторных анализов для диагностики пневмонии и других заболеваний легких. Исследователи разработали прототип портативного датчика, способного обнаруживать такие состояния по запаху дыхания человека. Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters.

Принцип его работы основан на анализе наночастиц, которые пациент вдыхает первыми. При выдохе эти наночастицы несут прикрепленные к ним биомаркеры, которые могут выявить признаки заболевания в глубине организма.

Прототип был разработан командой из Массачусетского технологического института и называется PlasmoSniff.

Этот метод еще не тестировался на людях, только на мышах, а это значит, что для его внедрения в практику врачей необходима дополнительная работа. Тем не менее, исследовательская группа полна надежды на успех своей идеи.

По результатам дальнейших испытаний, они считают, что датчик может стать быстрым и удобным средством для использования в клиниках или даже дома, без необходимости в лабораторной электронике, обычно применяемой только в больницах.

«На практике мы предполагаем, что пациент будет вдыхать наночастицы и примерно через 10 минут выдыхать синтетический биомаркер, отражающий состояние легких», — говорит инженер-механик Адитья Гарг. «Наша новая технология PlasmoSniff позволит обнаруживать эти биомаркеры в выдыхаемом воздухе в течение нескольких минут непосредственно в месте оказания медицинской помощи».

Наночастицы, которые обнаруживает сенсор, разрабатывались в течение нескольких лет. Биомаркеры или химические метки, прикрепленные к ним, отсоединяются при контакте со специфическими протеазами (крошечными фрагментами белков), характерными для определенных заболеваний.

Это дает исследователям сигнал, на который следует обращать внимание, — но эти биомаркеры выдыхаются лишь в очень малых количествах. Для обнаружения этих едва заметных следов новая система использует подход, называемый плазмоникой (изучение и манипулирование светом), отсюда и название PlasmoSniff.

В частности, датчик основан на методе, известном как рамановская спектроскопия, где свет используется для измерения колебаний молекулы. Эти колебания служат индикаторами движения атомов внутри химических связей и могут быть использованы для идентификации молекул.

Сам датчик использует золотые наночастицы, взвешенные над тонкой золотой пленкой — золото является идеальным металлом для плазмоники. Микроскопические зазоры внутри датчика, покрытые водой, улавливают целевые биомаркеры и усиливают их колебания настолько, чтобы их можно было обнаружить.

В человеческом дыхании содержится огромное количество летучих органических соединений (ЛОС), которые указывают на многое: от состояния микробиома кишечника до эффективности метаболических процессов в организме. Однако этот недавно разработанный датчик улавливает лишь ничтожно малую долю выдыхаемых химических веществ.

«Это проблема, подобная поиску иголки в стоге сена», — говорит инженер-механик Лоза Тадессе. «Наш метод обнаруживает ту самую «иголку», которая в противном случае была бы скрыта в шуме».

На данный момент исследователи находятся на стадии прототипа: для тестирования датчика они использовали мышей, а не людей, и сканировали только один конкретный биомаркер.

Проведение анализов дыхания человека будет более сложной задачей, и исследователям также необходимо разработать насадку в виде маски, которую можно будет использовать для анализа дыхания пациента в течение примерно пяти минут.

Это устройство будет сочетаться с ингалятором, похожим на ингалятор от астмы, для вдыхания наночастиц. У здоровых людей эти наночастицы просто будут выводиться из организма, не разрушаясь под воздействием болезней.

Если разработка и масштабирование окажутся успешными в ближайшие годы, это может стать важным новым методом мониторинга и выявления заболеваний – методом, который, по словам исследователей, можно адаптировать для самых разных целей, а не только для проверки респираторных заболеваний, таких как пневмония.

Возможно, PlasmoSniff найдет применение и за пределами здравоохранения, в любых ситуациях, когда необходимо обнаружить в воздухе мельчайшие следы химических веществ с помощью портативного датчика.

«Это касается не только этих биомаркеров или даже диагностических применений», — говорит Тадессе. «Он также способен обнаруживать промышленные химикаты или загрязняющие вещества в воздухе. Если молекула может образовывать водородные связи с водой, мы можем использовать её вибрационный спектр для её обнаружения. Это довольно универсальная платформа».