あなたのひどい息が何かを伝えようとしているだけでなく、リステリンのボトルを割る時でもありません。 タマネギと古くなったマグロの臭いの雲の中には、数百の化合物があり、それらは口の中で結合して指紋のような比を作り出します。 その比率を分析することにより、研究者は前立腺がんからパーキンソン病まで、さまざまな病気の兆候を検出する強力な新しい方法を考案しました。
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本日、 米国化学会誌「Nano Chemical Society Nano」で 、研究者たちは17種類の疾患のユニークな「呼吸紋」を特定して捕捉するセンサーアレイを発表しました。 研究者は、人工知能を使用して、人間の呼吸で見つかった13の主要な化合物のさまざまなレベルと比率をさまざまな疾患に一致させるアレイが、多用途の医療診断ツールへの道を開くことを望んでいます。 1, 400人を超える人々の呼吸をサンプリングした後、彼らの技術は病気を86％の精度で識別できることがわかりました。
人の息の香りの背後にある科学は、笑い、叫び声、またはため息のたびに私たちが日常的に空中に放出する有機化合物の群れの中にあります。 これらの化合物は、特定の病気によって引き起こされる生化学的変化の兆候を示すことがよくあります。これは、現代の呼吸診断の基礎を形成する現象です。 問題は、ふるいにかけるバックグラウンドノイズがたくさんあることです。呼気の雲の中には、通常、これらの化合物が数百個あります。
紀元前400年にさかのぼる古代の医師は、病気の人の息を嗅ぐことから収集する何かがあることを知っていました。 有名なギリシャの医師ヒポクラテスは、とりわけ、患者の息を嗅いで何が苦しんでいたのかを調べていました。 （さらに悪いことに、一部の医師は患者の尿や便の臭いを嗅いでいました。）それ以来、私たちはわずかに洗練されました。 肝臓の肝硬変、糖尿病、結腸直腸癌の診断に呼気分析がうまく採用されています。 専用のJournal of Breath Researchさえあります。
しかし以前は、そのような努力は主に単一の病気を検出するために使用されてきました。 新しい研究では、Technion-Israel Institute of Technologyのナノテク専門家であるHossam Haickと、数十人の国際的な協力者が、腎不全、肺がん、クローン病、MS、前立腺がん、卵巣がんなど。 彼らの配列は、まず人の呼吸内の各化合物の相対的な存在量を評価し、次に病気の特徴を健康な個人と比較します。
「特定の病気を特徴付ける化合物の混合物があり、この状況は病気ごとに異なります」とハイクは説明します。 このグループは、質量分析分析を使用して、17種類の疾患の特定の化合物シグネチャを最初に特定しました。 その後、彼らは、呼気中の化合物の混合物を登録するために、カーボンナノチューブと金粒子の感覚配列を使用して、1, 400人以上の息をサンプリングしました。 一連のコンピューターアルゴリズムは、各疾患の有無についてデータが伝えたことを解読しました。
そのとき、人工知能が登場します。「呼吸痕が特定の病気に関連している可能性があることをシステムに教えることができます」と、研究を共同で率いたハイクは言います。 「特定の化合物を検出するために犬を使用するのと同じように機能します。 私たちは犬の鼻に何かを持っていき、犬はその化学混合物を電気的特徴に移して脳に提供し、脳の特定の領域にそれを記憶します…これがまさに私たちがやっていることです。 特定の病気の匂いを嗅ぎますが、鼻の代わりに化学センサーを使用し、脳の代わりにアルゴリズムを使用します。 将来的には、犬が匂いを認識するように、病気を認識することができます。」
ドイツのフラウンホーファー研究所のプロセスエンジニアリングおよびパッケージング研究所の環境物理学者であるJonathan Beauchampは、この技術が呼気分析の大きなハードルを超える有望な方法を提供すると述べました。 「同じVOC（揮発性有機化合物）は、多くの異なる病気のマーカーとしてしばしば点灯します」と彼は言います。 「実際、特定の疾患に固有のVOCが存在する可能性は低いと、現在、呼気研究コミュニティで広く受け入れられています。」
したがって、Haickと同僚が行ったように、さまざまなVOCの相互の濃度を検索すると、より正確な診断方法が証明される可能性がある、と彼は付け加えます。 「これらの結果は、特定の疾患を別の疾患と区別する際の高い精度を実証しています。現在の研究は、金ナノ粒子アレイ技術の力と約束を明確に実証しています」と彼は言います。
この調査には、5か国の14の研究機関を拠点とする数十人の学者が参加しました。 参加者も同様に多様で、平均年齢は55歳でした。 約半分は男性で、半分は女性でした。 約3分の1は積極的な喫煙者でした。 参加者は、米国、イスラエル、フランス、ラトビア、中国で世界中から募集されました。 「さまざまな地理的領域にわたる多数の被験者が、この研究の重要な強みです」と、カリフォルニア大学デイビス校の生体計測ラボを率いる生物医学エンジニアのクリスティーナ・デイビスは述べています。
「このような大規模な臨床試験は、呼気分析の境界を押し進めるのに役立ち、臨床実践のための有望な医療ツールにつながるはずです」と、この研究に関わっていなかったデイビスは付け加えます。 「彼らは新しい質量分析の知識を取り入れて、新しいセンサー出力に結び付けました。」
Haickは、彼のチームの広範なテストがナノシステムの広範な使用につながることを望んでいます。 彼は、手頃な価格で非侵襲的で持ち運びやすいため、病気を広くスクリーニングするために使用できると言います。 症状のない人でもスクリーニングすることにより、このようなツールは、より良い結果につながる早期介入のタイプを有効にすることができます。
しかし、このAIを燃料とする「鼻」には、医療診断をはるかに超える用途があるかもしれません。 Haick氏によると、いくつかの企業が既に他のアプリケーション用にライセンスを供与しています。 多くの潜在的な用途の中で、彼はアレイが食品の腐敗を検出することで品質管理に使用できることに注目しています。 爆発物の化学的特徴を検出することにより、空港のセキュリティにも使用できます。
「このシステムは非常に敏感であり、さまざまな種類のアプリケーションに合わせてトレーニングする必要があります」と彼は言います。
