Ученые разработали систему, похожую на алкотестер, которая в будущем сможет диагностировать болезни по биомаркерам в выдыхаемом воздухе. Исследователи надеются, что это сделает медицинские обследования такими же простыми, как дыхание в устройство.
Прототип прибора, названный Airborne Biomarker Localization Engine (ABLE), конденсирует молекулы из воздуха в жидкие капли, которые затем можно анализировать с помощью обычных тест-полосок.
«Эта платформа очень доступна и дешева в производстве», — рассказал Live Science в электронном письме соавтор исследования Божи Тянь, профессор Чикагского университета. Результаты работы были опубликованы 21 мая в журнале Nature Chemical Engineering.
«Как исследователь в области биосенсоров и биоэлектроники, я в восторге от этой работы», — отметила Цзинхуа Ли, доцент кафедры материаловедения в Университете Огайо, не участвовавшая в исследовании.
«Обнаружение биомаркеров в воздухе давно привлекает внимание, но достижение нужной чувствительности оставалось проблемой», — сказала Ли. По ее словам, после валидации технологии «пользователи смогут просто подышать на тест-полоску и получить оценку здоровья за считанные минуты».
Новый подход к диагностике?
Многие анализы требуют забора крови, слюны или мочи, что создает неудобства или даже риски для пациентов. Анализ дыхания мог бы решить эти проблемы.
Человеческое дыхание содержит летучие органические соединения (ЛОС) — небольшие молекулы, которые в норме находятся в газообразном состоянии. Исследования показывают, что определенные химические вещества могут быть связаны с различными заболеваниями, что делает их потенциальным инструментом диагностики. Недавно ученые составили базу данных из 327 ЛОС, ассоциированных с астмой, диабетом, раком легких и другими болезнями.
Однако есть проблема: концентрация этих веществ в выдыхаемом воздухе чрезвычайно мала — иногда всего 1 молекула на триллион частиц. Это затрудняет их обнаружение.
ABLE решает эту задачу: прибор закачивает воздух через насос, добавляет водяной пар с помощью увлажнителя и охлаждает смесь, вызывая конденсацию. В результате летучие соединения превращаются в концентрированные капли, которые собираются в резервуаре для анализа.
По словам Тяня, прототип размером 10×20 см стоит менее $200 и собирает около 1 мл конденсата за 10 минут — этого достаточно для стандартных методов жидкостного анализа.
Первые испытания и перспективы
В качестве доказательства концепции ученые проверили, может ли ABLE улавливать различные химические вещества. В одном эксперименте они обнаружили глюкозу в выдыхаемом воздухе, подтвердив, что ее концентрация коррелирует с уровнем сахара в крови.
Также исследователи провели эксперименты с мышами, заселенными микробиотой недоношенных и доношенных детей. Они сравнили уровни гликосфинголипидов (регуляторов воспаления) и обнаружили их повышенное содержание у «недоношенных» мышей.
Кроме того, устройство успешно собрало пыльцевые аллергены и аэрозольные частицы E. coli (которые могут распространяться, например, при смыве унитаза). Это открывает возможность использования ABLE для мониторинга качества воздуха.
Пока остается нерешенной одна проблема: из-за сложности анализа ЛОС ученые еще не до конца понимают, какие именно соединения связаны с конкретными болезнями.
Сейчас команда работает с врачами, лечащими воспалительные заболевания кишечника, чтобы выявить маркеры воспаления в дыхании. Также ученые стремятся уменьшить размер устройства, превратив его в носимый гаджет, и планируют коммерциализацию технологии.
Если все пойдет по плану, ABLE сможет попасть в медицинские учреждения, ускорив исследования в области неинвазивной диагностики и открыв новую эру персонализированной медицины.
«Когда-нибудь каждый сможет проверить здоровье, просто подышав в небольшое устройство», — заключают авторы.
