Видихай, пацієнте! Як українські науковці навчили «електронний ніс» розрізняти хвороби за запахом

Ще зі школи ми знаємо, що вдихає людина кисень, а видихає — вуглекислий газ. Це правда, але далеко не вся.

Крім азоту, на який припадає понад три чверті складу повітря, кожна людина видихає сотні інших газів, що утворюються в її організмі. Щоправда, в мізерних, майже не помітних для нас концентраціях — лише по кілька молекул на мільйон, або й менше.

Але за різних порушень роботи організму ці гази можуть утворюватися в більшій кількості. І ми навіть можемо відучувати їхній запах — наприклад, запах ацетону в диханні хворої людини.

Чим пахнуть хвороби?

«Якщо навчитися вимірювати концентрацію цих речовин у повітрі, яке видихає людина, то можна було б діагностувати різні захворювання», — каже молодша наукова співробітниця Інституту прикладних проблем фізики і біофізики НАН України Віта Міцай.

Наприклад, підвищені концентрації ацетону, навіть якщо їх ще не здатен відчути людський ніс, можуть свідчити про цукровий діабет, серцеву недостатність та рак легень. А, скажімо, аміак у підвищених концентраціях може утворюватися в нашому організмі за ниркової недостатності, захворювань печінки й того-таки раку легень.

Різні концентрації одного й того самого газу можуть свідчити про різні захворювання. А зміна цього показника з часом може демонструвати те, як успішно людина лікується.

Загалом науці сьогодні відомі понад два десятки подібних біомаркерів — газів, які дозволяють запідозрити ту чи іншу хворобу. Але, звісно, остаточний діагноз може поставити лише лікар, який, окрім наявності газу у видихах, врахує результати інших аналізів та клінічну картину.

Розкласти газ на компоненти

Як виміряти вміст того чи іншого газу в суміші, дослідникам добре відомо. Для цього потрібні газові хроматографи та мас-спектрометри — обладнання, яке коштує сотні тисяч або й мільйони гривень. Для нього необхідне спеціальне приміщення. Також недешеві витратні матеріали та, звісно, висококваліфікований персонал. Саме тому подібного обладнання ви не побачите в лікарні або тим паче вдома у пацієнта.

Віта Міцай разом зі своїм колегою з відділу, також молодим ученим Ярославом Лазоренком, вирішили створити аналізатори — доступні й відносно дешеві прилади, що дають змогу вимірювати вміст аміаку та ацетону в диханні людини.

Як працюють аналізатори газів

Основа їхньої технології — це спеціальний газосенсорний матеріал. Він складається з особливої плівки із нанопорами, які значно збільшують площу її поверхні, та нанесеними на неї речовинами, які можуть утворювати сполуки із тим чи іншим газом, уміст якого потрібно виміряти.

Цей газочутливий матеріал має флуоресцентні властивості. Це означає, що якщо на нього подіє світло певної характеристики, то матеріал сам починає випромінювати світло — теж визначеної характеристики. Але газ (ацетон або аміак) змінює характеристики газосенсорної речовини, що впливає на її флуоресцентні властивості. За їх зміною можна дізнатися про концентрацію газу, який нас цікавить.

Роботу над створенням технології дослідники почали у 2012 році. Сьогодні в них є міжнародний патент на газосенсорний матеріал і прототипи пристроїв. За їхніми словами, хоча схожі проєкти розробляють в інших країнах, нашим науковцям не траплялися прилади серійного виробництва, подібні до того, який створюють вони.

Робота фінансується коштами Національної академії наук України. Кілька інвесторів вже цікавилися розробкою, щоб налагодити її серійне виробництво, але конкретних домовленостей поки немає.

Коронавірус теж «пахне»

Один з інвесторів хотів замовити створення пристрою, який буде за складом повітря, що видихає людина, діагностувати COVID-19. Ярослав Лазоренко каже, що принципово це цілком можливо. Існує кілька сполук-маркерів, які з великою точністю визначають, що людина хвора на коронавірусну інфекцію. Але термін, який інвестор був готовий надати на таку розробку, виявився надто коротким для науковців.

Крім того, технологією визначення ацетону, за словами розробників, цікавився один лікар з України разом зі своїм німецьким колегою. Вони займаються лікуванням епілепсії за допомогою кетогенної дієти. Таке харчування передбачає, що в раціоні людини підвищена частка жирів внаслідок зниженої частки вуглеводів. Водночас в організмі утворюється ацетон, і потрібно контролювати інтенсивність цього процесу, щоб він був ефективним, але не загрожував людині побічними наслідками.

«Електронний ніс» замість глюкометра

За словами Ярослава Лазоренка, в перспективі подібний прилад, що контролює ацетон у диханні людини, може стати на заміну глюкометра, яким користуються хворі на цукровий діабет. Адже утворення ацетону в організмі певним чином пов’язане з умістом глюкози в крові. Але створення такого пристрою потребує окремих досліджень.

Розробники оцінюють собівартість свого винаходу приблизно у 10 тисяч гривень. До того ж він не потребує витратних матеріалів, адже чутлива матриця здатна відновлюватися щоразу після того, як її використовують.

Але чи не найголовніша перевага такого пристрою в тому, що він дозволяє досліджувати стан організму неінвазивно — тобто без проколювання чи іншого подібного втручання. Воно зазвичай є неприємним та створює додаткові ризики.

Розробники сьогодні працюють над підвищенням чутливості їхньої технології. Крім того, вони кажуть, що потенційно такий аналіз може вимірювати вміст газів навіть у випарах людської шкіри. За межами медицини схожі процеси можуть застосовувати для визначення вмісту шкідливих речовин в атмосферному повітрі або в промислових газових викидах.