Påvisning af kræft fra udånding

Den luft, vi udånder, indeholder information, der kan hjælpe med diagnosticering af sygdom. Forskere ved Fraunhofer Project Hub for mikroelektroniske og optiske systemer til biomedicin MEOS udvikler nu løsninger designet til at muliggøre analyse af åndegas til dette formål. Selvom deres forskning fokuserer på tidlig opdagelse af kræft, det samme princip kunne også anvendes til at skelne mellem COVID-19 og andre luftvejssygdomme.

Nogle sygdomme har en tydelig lugt. En svagt sød og frugtagtig acetone lugt, for eksempel, kan indikere diabetes. Ja, der er rapporter om læger i det antikke Grækenland, der var i stand til at opdage sygdom ved lugten af ​​en patients ånde. Disse karakteristiske lugte er forårsaget af visse flygtige organiske forbindelser (VOC'er), der udsendes af sygt væv eller selve patogenet, før de første symptomer viser sig.

Udåndingsluft giver et fingeraftryk af patientens stofskifte

"Mange sygdomme forårsager en ændring i sammensætningen af ​​de flygtige organiske sporgasser i udåndingsluft, der kan bruges som biomarkører, " forklarer Dr. Jessy Schönfelder, forskningsassistent hos Fraunhofer MEOS. "Det er ofte en kombination af flere sporgasser i en markant forhøjet eller markant reduceret koncentration, der er karakteristisk for en specifik sygdom. Dette er kendt som VOC-fingeraftrykket eller VOC-mønsteret." Fraunhofer MEOS i Erfurt er et tværfagligt projekthub, der involverer deltagelse af Fraunhofer Institutes for Cell Therapy and Immunology IZI, Fotoniske mikrosystemer IPMS, og Anvendt optik og præcisionsteknik IOF.

Der er specifikke markørkombinationer for mange flere sygdomme, end man engang troede. Hver enkelt af dem skal omhyggeligt dechifreres. Dette er den opgave, Schönfelder står over for, en kemiker af uddannelse, og hendes team. Sammen, de er nu ved at udvikle et særligt ion-mobilitetsspektrometer (IMS), som de kan identificere disse VOC-mønstre med. I betragtning af at hver person udånder omkring 200 VOC'er, dette er på ingen måde en nem opgave. Fokus for denne forskning er påvisning af kræft - især lungekræft.

Forskerholdet hos Fraunhofer MEOS håber, at denne nye teknologi vil være i stand til at detektere en bred vifte af biomarkører. De ønsker også at bruge det til at skelne mellem COVID-19 og andre luftvejsinfektioner. Det er ligeledes med i Fraunhofer-klyngeprojektet M3Infekt, som er ved at udvikle en mobil, modulopbygget, multimodalt overvågningssystem for at muliggøre hurtig intervention i tilfælde af en pludselig forværring af tilstanden hos COVID-19-patienter. Desuden, Det er håbet, at denne metode til analyse af åndedrætsgas kan give en forhåndsindikation af neurodegenerative sygdomme som Alzheimers. Dette ville ikke kun give tidligere advarsel end med konventionelle metoder såsom blodprøver, men også være mere bekvemt, da det blot kræver, at patienten trækker vejret i et rør.

"Der er et stort potentiale for sensorsystemer i åndegasanalyse, " Schönfelder forklarer. "IMS-teknologi er ikke-invasiv, følsom og selektiv. Og det er hurtigt, billig og også kompakt og bærbar, så der er ingen grund til, at det ikke skal bruges i lægepraksis og på hospitaler. Det færdige produkt vil være på størrelse med en skoæske."

En FAIMS -chip med vekselstrøm

I hjertet af dette nye IMS-system er en miniaturiseret højfelts asymmetrisk ionmobilitetsspektrometri (FAIMS)-chip. Det mikroelektromekaniske system (MEMS) omfatter et ionfilter og en detektor. Enheden har også en UV-lampe. I første omgang VOC'erne - båret i en bæregas - pumpes ind i spektrometeret, hvor de ioniseres ved hjælp af UV-lys. Med andre ord, de ændres til ladede molekyler. "Disse føres derefter til FAIMS-chippen, som blev udviklet af Fraunhofer IPMS, " siger Schönfelder. "Derefter påføres en vekselspænding ved filterelektroderne. Ved at justere spændingen ved filteret, du kan kontrollere, hvilke VOC'er der trænger igennem til detektoren. Dette genererer et VOC-fingeraftryk, som gør os i stand til at identificere den sygdom, vi leder efter."

På nuværende tidspunkt, forskerholdet arbejder på at forbedre det elektroniske kontrolsystem og forbedre prøveudtagning og prøvebehandling. I mellemtiden referencemålinger med cellekulturer er nu blevet udført med succes, og yderligere undersøgelser med kliniske humane prøver er i pipelinen. I et projekt, der for nylig blev afsluttet hos Fraunhofer IZI, videnskabsmænd, der brugte en lignende teknologi, var i stand til at skelne mellem syv forskellige bakteriestammer.

På samme tid, specielt udviklede AI-algoritmer forventes at forenkle evalueringen af ​​VOC-fingeraftryk. "Hver måling genererer en halv million aflæsninger, "Schönfelder forklarer." Så vi vil bruge maskinindlæring til at analysere denne enorme datamængde. "Algoritmen trænes ved hjælp af prøver fra raske testpersoner og kræftpatienter. Resultaterne af sådanne målinger er tilgængelige inden for få minutter." Og vi kan godt forestille sig, at vores ion-mobilitetsspektrometer en dag kan blive brugt til at screene flypassagerer for at afgøre, om de er inficeret med coronavirus, «tilføjer hun.