Выдыхай, пациент! Как украинские ученые научили «электронный нос» различать болезни по запаху

Еще со школы мы знаем, что вдыхает человек кислород, а выдыхает — углекислый газ. Это правда, но далеко не вся.

Кроме азота, на который приходится более трех четвертей состава воздуха, каждый человек выдыхает сотни других газов, образующихся в его организме. Правда, в мизерных, практически не заметных для нас концентрациях — всего несколько молекул на миллион, или меньше.

Но при различных нарушениях работы организма эти газы могут образовываться в большем количестве. И мы даже можем почувствовать их запах — например, запах ацетона в дыхании больного человека.

Чем пахнут болезни?

«Если научиться измерять концентрацию этих веществ в воздухе, выдыхаемом человеком, то можно было бы диагностировать различные заболевания», — говорит младший научный сотрудник Института прикладных проблем физики и биофизики НАН Украины Вита Мицай.

Например, повышенные концентрации ацетона, даже если их еще не способен почувствовать человеческий нос, могут свидетельствовать о сахарном диабете, сердечной недостаточности и раке легких. А такой газ, как аммиак, в повышенных концентрациях может образовываться в нашем организме при почечной недостаточности, заболеваниях печени и том же раке легких.

При этом различные концентрации одного и того же газа могут свидетельствовать о различных заболеваниях. А изменение этого показателя со временем может свидетельствовать о том, насколько успешно человек лечится.

Науке сегодня известны более двух десятков подобных биомаркеров — газов, которые позволяют заподозрить ту или иную болезнь. Но, конечно, окончательный диагноз может поставить только врач, который, кроме наличия газа в дыхании, учтет результаты других анализов и клиническую картину.

Разложить газ на компоненты

Как измерить содержание того или иного газа в смеси, исследователям хорошо известно. Для этого нужны газовые хроматографы и масс-спектрометры — оборудование, которое стоит сотни тысяч, а то и миллионы гривен. Для него необходимо специальное помещение, недешевые расходные материалы и, конечно, высококвалифицированный персонал. Именно поэтому подобное оборудование вы не увидите в больнице, или, тем более, дома у пациента.

Вита Мицай вместе со своим коллегой по отделу, другим молодым ученым Ярославом Лазоренко решили создать анализаторы — доступные и относительно дешевые приборы, позволяющие измерять содержание аммиака и ацетона в дыхании человека.

Как работают анализаторы газов

Основа их технологии — это специальный газосенсорный материал. Он состоит из специальной пленки из нанопор, во много раз увеличивающими площадь ее поверхности, и нанесенными на нее веществами, которые могут образовывать соединения с тем или иным газом, содержание которого нужно измерить.

Этот газочувствительный материал имеет флуоресцентные свойства. Это значит, что если на него воздействовать светом определенной характеристики, то материал сам начнет излучать свет — тоже определенной характеристики. Но газ (ацетон или аммиак) изменяет характеристики газосенсорного вещества, и это влияет на его флуоресцентные свойства. По изменению этих свойств можно узнать о концентрации газа, который нас интересует.

Работу над созданием технологии исследователи начали в 2012 году. Сегодня у них есть международный патент на газосенсорный материал и прототипы устройств. По их словам, хотя похожие разработки и ведутся в других странах, но им не попадались приборы серийного производства, подобные тому, который создают они.

Работа финансируется из средств Национальной академии наук Украины. Несколько инвесторов уже интересовались разработкой, чтобы наладить ее серийное производство, но до конкретных договоренностей дело пока не дошло.

Коронавирус тоже «пахнет»

Один из инвесторов хотел заказать создание устройства, которое будет по составу воздуха, выдыхаемого человеком, диагностировать COVID-19. Ярослав Лазоренко говорит, что принципиально это вполне возможно: существует несколько соединений — маркеров, которые с большой точностью указывают на то, что человек болен коронавирусной инфекцией. Но срок, инвестор готов был выделить на такую разработку, оказался слишком коротким для ученых.

Кроме того, технологией определения ацетона, по словам разработчиков, интересовался один врач из Украины вместе со своим немецким коллегой из Германии. Они занимаются лечением эпилепсии с помощью кетогенной диеты. Эта диета предполагает, что в рационе человека увеличивается доля жиров за счет уменьшения доли углеводов. При этом в организме образуется ацетон, и нужно контролировать интенсивность этого процесса, чтобы он был эффективным, но не угрожал побочными последствиями.

«Электронный нос» вместо глюкометра

По словам Ярослава Лазоренко, в перспективе подобный прибор, контролирующий ацетон в дыхании человека, может заменить глюкометр, которым пользуются больные сахарным диабетом. Ведь образование ацетона в организме определенным образом связано с содержанием глюкозы в крови. Но создание такого устройства требует отдельных исследований.

Разработчики оценивают себестоимость своего изобретения на уровне 10 тысяч гривен. При этом он не потребует расходных материалов, поскольку его чувствительная матрица способна восстанавливаться каждый раз после использования.

Но едва ли не самое главное преимущество такого устройства заключается в том, что он позволяет исследовать состояние организма неинвазивно, то есть без прокалывания или какого-либо иного подобного вмешательства, которое обычно является неприятным и несет дополнительные риски.

Сейчас разработчики работают над повышением чувствительности их технологии. Кроме того, они говорят, что потенциально будет возможность измерять содержание газов даже в испарениях человеческой кожи. За пределами медицины подобные технологии могут применяться для определения содержания вредных веществ в атмосферном воздухе или в промышленных выбросах.