JILA’da ve Colorado Boulder Üniversitesi Fizik Bölümü’nde doktora adayı olan Qizhong Liang, JILA’daki Ye laboratuvarında lazer tabanlı alkol ölçerin nasıl çalıştığını gösteriyor. Sonuç olarak, sistem “hareket halindeyken sağlık izleme” için küçültülebilir. Kredi: Patrick Campbell/CU Boulder
Kuantum lazer tabanlı teknoloji, hastalıkların teşhisi için dışarı verilen nefesin kullanımında önemli bir ilerlemeyi temsil ediyor.
Nefes verdiğimiz her seferde, daha fazla salınırız. Belirli bir “nefes izi”, yani vücudumuzun iç koşullarına ilişkin değerli içgörüler sağlayan kimyasal bir imza oluşturan 1.000 benzersiz molekül.
Araştırmacılar, yıllardır bu bilgi zenginliğinden yararlanmaya çalışıyorlar. kanser, diyabet ve tüberküloz gibi hastalıkları saptamak için köpeklerde, farelerde ve hatta arılarda koku.
CU Boulder ve Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’nden (NIST) bilim adamları, yapay zeka (AI) tarafından desteklenen lazer tabanlı yeni bir alkol ölçerin COVID-19’u gerçek zamanlı olarak mükemmel bir doğrulukla tespit edebildiğini bildiren, verilen nefesi kullanarak hastalığı teşhis etme arayışı.
Sonuçlar yakın zamanda Journal’da yayınlandı of Breath Research.
“Sonuçlarımız, nefes analizinin COVID-19 için alternatif, hızlı, non-invaziv bir test olduğunu gösteriyor ve çeşitli durumları ve hastalık durumlarını teşhis etme konusundaki olağanüstü potansiyelini vurguluyor” dedi birinci yazar Qizhong Liang, bir Ph.D. JILA’da aday ve CU Boulder’da Fizik Bölümü. JILA, CU Boulder ve NIST arasındaki bir ortaklıktır.
Fizikçiler, biyokimyacılar ve biyologlardan oluşan multidisipliner ekip, “frekans taraklı alkol ölçer”in -doğduğu ümidiyle şimdi çok çeşitli başka hastalıklara odaklanıyor. CU’nun Nobel Ödüllü teknolojisi tıbbi teşhiste devrim yaratabilir.
“Doktora gidip boy ve kilonuzla birlikte nefesinizi ölçebileceğiniz gerçek, öngörülebilir bir gelecek var… Veya JILA üyesi ve CU Boulder’da fizik profesörü olan kıdemli yazar Jun Ye, telefonunuza entegre bir ağızlığa üfleyin ve gerçek zamanlı olarak sağlığınız hakkında bilgi alın” dedi. “Potansiyel sonsuzdur.”
COVID kaynaklı bir işbirliği
Daha 2008’de Ye’nin laboratuvarı, frekans tarağı spektroskopisi adı verilen ve esasen bir molekülü diğerinden ayırmak için lazer ışığı kullanan bir tekniğin olduğunu bildirdi. bir başkası—insan nefesindeki hastalık biyobelirteçlerini potansiyel olarak tanımlayabilir.
Teknolojinin duyarlılığı ve daha da önemlisi, belirli molekülleri hastalık durumlarına bağlama yeteneği yoktu, bu nedenle, hastalığı teşhis etmek için onu asla test etmediler.
{ 8}Ancak Ye’nin ekibi o zamandan beri hassasiyeti bin kat artırarak eser moleküllerin trilyon başına parça düzeyinde saptanmasını sağladı. Ayrıca yapay zekanın gücünden de yararlandılar.
Liang, “Moleküller, belirli sağlık koşullarıyla ilişkilendirildiğinde konsantrasyonlarda artar veya azalır,” dedi. “Makine öğrenimi bu bilgileri analiz eder, kalıpları belirler ve bir teşhisi tahmin etmek için kullanabileceğimiz kriterler geliştirir.”
SARS-CoV-2’nin ülke çapında yaygınlaşması ve mevcut testler için uzun yanıt süreleriyle ilgili hayal kırıklığının artmasıyla, sistemi insanlar üzerinde test etme zamanı gelmişti. Bir fizikçi olarak Ye, insan deneklerle hiç çalışmamıştı, bu nedenle kampüsün COVID test programına başkanlık eden disiplinlerarası bir biyomedikal araştırma merkezi olan CU’nun BioFrontiers Enstitüsünden yardım istedi.
Ulusal Bilim Vakfı ve Ulusal Araştırmayı Sağlık Enstitüleri finanse etti.
İnvazif olmayan, hızlı, kimyasal içermeyen
Mayıs 2021 ile Ocak 2022 arasında araştırma ekibi, 170 CU Boulder öğrencisinden nefes örnekleri topladı. önceki 48 saat içinde tükürük veya burun örneği göndererek bir polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) testi yapılmıştır.
Yarısı pozitif, yarısı negatif test etmişti. (Güvenlik nedenleriyle, gönüllü katılımcılar kampüsün açık otoparkına geldiler, bir numune toplama çantasına üflediler ve güvenli bir mesafede bekleyen bir laboratuvar teknisyenine bıraktılar.)
Genel olarak, süreç 1000’den az sürdü toplamadan sonuca bir saat.
Altın standart COVID testi olan PCR ile karşılaştırıldığında, alkol ölçer sonuçları zamanın %85’inde eşleşti. Tıbbi teşhisler için %80 veya daha yüksek doğruluk oranı “mükemmel” olarak kabul edilir.
Araştırmacılar, nefes ve tükürük/burun sürüntü örnekleri aynı anda alınmış olsaydı doğruluğun muhtemelen daha yüksek olacağından şüpheleniyorlar.
Burun sürüntüsünün aksine, alkol ölçer invaziv değildir. Tükürük örneğinden farklı olarak, kullanıcılardan kullanmadan önce yemek yemekten, içmekten veya sigara içmekten kaçınmaları istenmez. Numuneyi parçalamak için pahalı kimyasallar gerektirmez. Ve yeni test, büyük olasılıkla, bilinci yerinde olmayan kişiler üzerinde kullanılabilir.
Ancak hâlâ öğrenilecek çok şey var, dedi Ye.
“Tek bir nefesle, bu kadarını toplayabiliriz. sizden birçok veri noktası, ama sonra ne olacak? Yalnızca birkaç molekülün belirli koşullarla nasıl ilişkili olduğunu anlıyoruz,” dedi Ye.
Daha küçük bir alkol ölçer yapmak
Bugün, “nefes ölçer”, yaklaşık 1000000000000000000000000000000000000000000+00000000000000000000000+ bir ziyafet masasının.
Lazerler, binlerce farklı frekansta görünmez orta kızılötesi ışık ateşlerken, bir nefes örneği bir tüpten geçirilir. Düzinelerce minik ayna, ışığı moleküller arasında o kadar çok kez ileri geri yansıtır ki, sonunda ışık yaklaşık 1,5 mil yol alır.
Her tür molekül ışığı farklı şekilde emdiği için, farklı moleküler yapıya sahip nefes örnekleri -up belirgin gölgeler oluşturur. Makine, bu farklı gölgeler veya emilim kalıpları arasında ayrım yaparak milyonlarca veri noktasını (COVID durumunda) saniyeler içinde basit bir pozitif veya negatife indirgeyebilir.
Minyatür hale getirmek için şimdiden çabalar sürüyor Liang’ın “hareket halindeyken gerçek zamanlı, kendi kendine sağlık izlemesi” olarak hayal ettiği şeye izin veren bir çip ölçeğine bu tür sistemler. Potansiyel bununla sınırlı değil.
“Nefeste, pankreas kanserini daha semptom göstermeden tespit edebilecek bir imza bulabilseydiniz. BioFrontiers’ın baş bilim sorumlusu ve araştırmanın ortak yazarlarından moleküler biyolog ve ortak yazar Leslie Leinwand, “Başka yerlerde, bilim adamları bir İnsan Nefesi Atlası geliştirmek için çalışıyorlar. insan nefesindeki her bir molekülü haritalar ve bunları sağlık sonuçlarıyla ilişkilendirir. Liang, daha büyük ölçekli bir nefes numunesi koleksiyonuyla bu tür çabalara katkıda bulunmayı umuyor.
Bu arada ekip, alkol ölçerin yalnızca hastalıkları teşhis etmekle kalmayıp nasıl olduğunu keşfetmek için CU Anschutz Tıp Kampüsü’ndeki pediatri ve solunum uzmanlarıyla iş birliği yapıyor. aynı zamanda bağışıklık tepkileri, beslenme eksiklikleri ve hastalığa katkıda bulunabilecek veya hastalığı şiddetlendirebilecek diğer faktörler hakkında ipuçları sunarak bilim adamlarının bunları daha iyi anlamasını sağlar.
“Köpekleri düşünürseniz, binlerce yıl boyunca koku alma konusunda evrimleştiler. dikkate değer hassasiyetle birçok farklı şey, ”dedi Ye. “Lazer tabanlı burnumuzu eğitmenin henüz en başındayız. Ne kadar çok öğretirsek o kadar akıllı hale gelir.”
Referans: “Ultra hassas geniş bant lazer spektroskopisi ile yapılan nefes analizi SARS-CoV-2 enfeksiyonunu saptar” yazan Qizhong Liang, Ya-Chu Chan, Jutta Toscano , Kristen K Bjorkman, Leslie A Leinwand, Roy Parker, Eva S Nozik, David J Nesbitt ve Jun Ye, 5 Nisan 2023, Journal of Breath Research.
DOI: 10.1088/1752-7163/acc6e4
Çalışma, Ulusal Sağlık Enstitüleri ve Ulusal Bilim Vakfı tarafından finanse edilmiştir.