Ihr schrecklicher Atem versucht, Ihnen etwas zu sagen - und nicht nur, dass es Zeit ist, eine Flasche Listerine aufzubrechen. In dieser Wolke aus Zwiebeln und abgestandenem Thunfisch befinden sich Hunderte chemischer Verbindungen, die sich in Ihrem Mund zu einem Verhältnis verbinden, das so einzigartig ist wie ein Fingerabdruck. Durch die Analyse dieses Verhältnisses haben die Forscher eine leistungsstarke neue Methode gefunden, um die Signaturen verschiedener Krankheiten zu erkennen, von Prostatakrebs bis hin zu Parkinson.
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Heute stellen die Forscher in der Zeitschrift American Chemical Society Nano ein Sensorarray vor, das den einzigartigen „Atemabdruck“ von 17 verschiedenen Krankheiten identifiziert und erfasst. Die Forscher hoffen, dass ihr Array, das künstliche Intelligenz einsetzt, um die unterschiedlichen Konzentrationen und Verhältnisse von 13 chemischen Schlüsselverbindungen im menschlichen Atem an verschiedene Krankheiten anzupassen, den Weg für ein vielseitiges medizinisches Diagnosegerät ebnen wird. Nachdem sie den Atem von mehr als 1.400 Menschen abgetastet hatten, stellten sie fest, dass ihre Technik Krankheiten mit einer Genauigkeit von 86 Prozent unterscheiden konnte.
Die Wissenschaft, die hinter dem Geruch des Atems eines Menschen steckt, besteht aus einer Reihe von organischen chemischen Verbindungen, die wir routinemäßig bei jedem Lachen, Schreien oder Seufzen in die Luft befördern. Diese Verbindungen weisen häufig Anzeichen von biochemischen Veränderungen auf, die durch bestimmte Krankheiten hervorgerufen werden - ein Phänomen, das die Grundlage für die moderne Atemdiagnostik bildet. Das Problem ist, dass es eine Menge Hintergrundgeräusche gibt, die durchgesiebt werden müssen: In einer Wolke aus ausgeatmetem Atem sehen Sie normalerweise Hunderte dieser Verbindungen.
Alte Ärzte aus dem Jahr 400 v. Chr. Wussten, dass es etwas gibt, das man aus dem Atem eines Kranken riechen kann. Der berühmte griechische Arzt Hippokrates pflegte unter anderem den Atem seiner Patienten zu riechen, um herauszufinden, was sie befiel. (Schlimmer noch, einige Ärzte haben früher den Urin oder den Stuhl ihrer Patienten gerochen.) Seitdem sind wir etwas raffinierter geworden. Atemanalyse wurde erfolgreich eingesetzt, um Leberzirrhose, Diabetes und Darmkrebs zu diagnostizieren. Es gibt sogar ein spezielles Journal of Breath Research .
Bisher wurden solche Anstrengungen jedoch hauptsächlich zum Nachweis einer einzelnen Krankheit eingesetzt. In der neuen Studie wollten Hossam Haick, ein Nanotechnologie-Experte am Technion-Israel Institute of Technology, und mehrere Dutzend internationale Mitarbeiter die Grundlage für ein allgemeines Diagnosewerkzeug legen, mit dem die Atmungssignaturen vieler Krankheiten wie Nierenversagen, Lungenkrebs usw. identifiziert werden können. Morbus Crohn, MS, Prostata- und Eierstockkrebs und mehr. Ihr Array bewertet zuerst die relative Häufigkeit jeder Verbindung im Atem einer Person und vergleicht dann Krankheitssignaturen mit gesunden Personen.
"Wir haben eine Mischung von Verbindungen, die eine bestimmte Krankheit charakterisieren, und dieses Bild unterscheidet sich von einer Krankheit zur anderen", erklärt Haick. Mittels Massenspektrometrieanalyse identifizierte die Gruppe zunächst die spezifischen Verbindungssignaturen für 17 verschiedene Krankheiten. Anschließend untersuchten sie den Atem von mehr als 1.400 Menschen. Dabei verwendeten sie eine sensorische Reihe von Kohlenstoffnanoröhren und Goldpartikeln, um festzustellen, welche Mischung von Verbindungen sie ausgeatmet hatten. Eine Reihe von Computeralgorithmen entzifferte, was die Daten über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein jeder Krankheit aussagten.
Dann kommt die künstliche Intelligenz ins Spiel. „Wir können dem System beibringen, dass ein Atemzug mit einer bestimmten Krankheit in Verbindung gebracht werden kann“, sagt Haick, der die Studie mitleitete. „Es funktioniert genauso, wie wir Hunde einsetzen würden, um bestimmte Verbindungen nachzuweisen. Wir bringen etwas in die Nase eines Hundes, und der Hund überträgt diese chemische Mischung auf eine elektrische Signatur und gibt sie an das Gehirn weiter. Dann merken wir sie in bestimmten Regionen des Gehirns. Genau das tun wir. Wir lassen es nach einer bestimmten Krankheit riechen, verwenden jedoch anstelle einer Nase chemische Sensoren und anstelle des Gehirns Algorithmen. Dann kann es in Zukunft die Krankheit erkennen, wie ein Hund einen Geruch erkennen könnte. “
Jonathan Beauchamp, Umweltphysiker am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung in Deutschland, sagte, die Technologie biete einen vielversprechenden Weg, um eine große Hürde bei der Atemanalyse zu überwinden. "Dieselben VOCs (flüchtige organische Verbindungen) leuchten oft als Marker für viele verschiedene Krankheiten auf", sagt er. "Tatsächlich ist es mittlerweile in der Atemforschungsgemeinschaft weithin anerkannt, dass es wahrscheinlich keine einzigartigen VOCs für bestimmte Krankheiten gibt."
Daher könnte die Suche nach Konzentrationen verschiedener VOC im Verhältnis zueinander, wie es Haick und Kollegen taten, die genauere Diagnosemethode beweisen, fügt er hinzu. "Diese Ergebnisse zeigen eine hohe Genauigkeit bei der Unterscheidung einer bestimmten Krankheit gegen eine andere ... Die aktuelle Studie zeigt deutlich die Leistungsfähigkeit und das Potenzial der Gold-Nanopartikel-Array-Technik", sagt er.
An der Studie nahmen Dutzende von Wissenschaftlern aus 14 Forschungseinrichtungen in fünf verschiedenen Ländern teil. Ebenso vielfältig waren die Teilnehmer: Das Durchschnittsalter betrug 55 Jahre; etwa die Hälfte war männlich und die Hälfte weiblich; und ungefähr ein Drittel waren aktive Raucher. Die Teilnehmer wurden weltweit in den USA, Israel, Frankreich, Lettland und China rekrutiert. „Die große Anzahl von Fächern in verschiedenen geografischen Gebieten ist wirklich eine wesentliche Stärke dieser Studie“, sagt Cristina Davis, eine biomedizinische Ingenieurin, die das Labor für Bioinstrumente an der University of California in Davis leitet.
"Größere klinische Studien wie diese werden dazu beitragen, die Grenzen der Atemanalyse zu erweitern und zu vielversprechenden medizinischen Instrumenten für die klinische Praxis zu führen", fügt Davis hinzu, der nicht an der Studie beteiligt war. "Sie haben neues Wissen über Massenspektrometrie aufgenommen und es mit ihrem neuartigen Sensorausgang gekoppelt."
Haick hofft, dass die weit verbreiteten Tests seines Teams zu einer weit verbreiteten Nutzung des Nanosystems führen werden. Er sagt, dass es erschwinglich, nicht-invasiv und tragbar ist und daher für ein umfassendes Screening auf Krankheiten verwendet werden könnte. Durch das Screening auch von Patienten ohne Symptome könnte ein solches Instrument die Arten von Frühinterventionen ermöglichen, die zu besseren Ergebnissen führen.
Diese KI-angetriebene „Nase“ könnte aber auch weit über die medizinische Diagnostik hinaus Anwendung finden. Mehrere Unternehmen haben es bereits für andere Anwendungen lizenziert, sagt Haick. Unter den vielen möglichen Verwendungen merkt er an, dass das Array zur Qualitätskontrolle verwendet werden könnte, indem Lebensmittelverderb aufgedeckt wird. Es könnte auch zur Sicherheit auf Flughäfen eingesetzt werden, indem chemische Signaturen von Sprengkörpern erkannt werden.
„Das System ist sehr empfindlich und muss nur auf verschiedene Arten von Anwendungen trainiert werden“, sagt er.
