Neuer Alkoholtester für Krankheiten erkennt COVID in Echtzeit und könnte zur Erkennung von Krebs und Lungenerkrankungen eingesetzt werden

Mit jedem Atemzug atmet der Mensch mehr als 1.000 verschiedene Moleküle aus und erzeugt so einen einzigartigen chemischen Fingerabdruck oder „Atemabdruck“, der viele Hinweise darauf gibt, was im Körper vor sich geht.

Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, sich diese Informationen zunutze zu machen und nutzen Hunde, Ratten und sogar Bienen, um Krebs, Diabetes, Tuberkulose und mehr buchstäblich aufzuspüren.

Wissenschaftler der CU Boulder und des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben bei der Diagnose von Krankheiten mithilfe der Ausatemluft einen wichtigen Schritt nach vorne gemacht und berichtet, dass ein neuer laserbasierter Alkoholtester mit künstlicher Intelligenz (KI) COVID-19 erkennen kann. 19 in Echtzeit mit hervorragender Genauigkeit.

Die Ergebnisse wurden am 5. April in der veröffentlicht Zeitschrift für Atemforschung.

„Unsere Ergebnisse zeigen, wie vielversprechend die Atemanalyse als alternativer, schneller, nicht-invasiver Test für COVID-19 ist, und unterstreichen ihr bemerkenswertes Potenzial für die Diagnose verschiedener Erkrankungen und Krankheitszustände“, sagte Erstautor Qizhong Liang, ein Ph.D. Kandidat in JILA und der Fakultät für Physik an der CU Boulder. JILA ist eine Partnerschaft zwischen CU Boulder und NIST.

Das multidisziplinäre Team aus Physikern, Biochemikern und Biologen verlagert seinen Fokus nun auf eine Vielzahl anderer Krankheiten in der Hoffnung, dass der „Frequenzkamm-Alkoholtester“ – geboren aus Nobelpreisgekrönte Technologie von CU – könnte die medizinische Diagnostik revolutionieren.

„Es gibt eine reale, absehbare Zukunft, in der Sie zum Arzt gehen und Ihren Atem sowie Ihre Größe und Ihr Gewicht messen lassen könnten … Oder Sie könnten in ein in Ihr Telefon integriertes Mundstück blasen und in Echtzeit Informationen über Ihren Gesundheitszustand erhalten.“ „, sagte der leitende Autor Jun Ye, ein JILA-Stipendiat und außerordentlicher Professor für Physik an der CU Boulder. „Das Potenzial ist endlos.“

Eine durch COVID entstandene Zusammenarbeit

Bereits 2008 berichtete Yes Labor, dass eine Technik namens Frequenzkammspektroskopie – bei der im Wesentlichen Laserlicht zur Unterscheidung eines Moleküls von einem anderen verwendet wird – möglicherweise Biomarker für Krankheiten im menschlichen Atem identifizieren könnte.

Der Technologie mangelte es an Empfindlichkeit und, was noch wichtiger war, an der Fähigkeit, bestimmte Moleküle mit Krankheitszuständen zu verknüpfen, weshalb sie nie zur Diagnose von Krankheiten getestet wurde.

Aber Yes Team hat die Empfindlichkeit inzwischen um das Tausendfache verbessert und ermöglicht so den Nachweis von Spurenmolekülen im Bereich von Teilen pro Billion. Sie haben auch die Leistungsfähigkeit der KI genutzt.

„Die Konzentration von Molekülen nimmt zu oder ab, wenn sie mit bestimmten Gesundheitszuständen in Verbindung gebracht wird“, sagte Liang. „Maschinelles Lernen analysiert diese Informationen, erkennt Muster und entwickelt Kriterien, anhand derer wir eine Diagnose vorhersagen können.“

Da sich SARS-CoV-2 im ganzen Land verbreitet und die Frustration über die langen Reaktionszeiten bei bestehenden Tests zunimmt, war es an der Zeit, das System an Menschen zu testen. Als Physiker hatte Ye noch nie mit menschlichen Probanden gearbeitet, daher nahm er Hilfe vom BioFrontiers Institute der CU in Anspruch, einem interdisziplinären Zentrum für biomedizinische Forschung, das das COVID-Testprogramm auf dem Campus leitete.

Nicht-invasiv, schnell, ohne Chemie

Zwischen Mai 2021 und Januar 2022 sammelte das Forschungsteam Atemproben von 170 Studenten der CU Boulder, die in den letzten 48 Stunden einen Polymerase-Kettenreaktionstest (PCR) durchgeführt hatten, indem sie entweder eine Speichel- oder eine Nasenprobe einreichten.

Die Hälfte war positiv, die Hälfte negativ getestet worden. (Aus Sicherheitsgründen kamen freiwillige Teilnehmer zu einem Außenparkplatz des Campus, bliesen einen Probensammelbeutel hinein und überließen ihn einem Labortechniker, der in sicherer Entfernung wartete.)

Insgesamt dauerte der Prozess von der Sammlung bis zum Ergebnis weniger als eine Stunde.

Im Vergleich zum PCR-Test, dem Goldstandard-COVID-Test, stimmten die Ergebnisse des Alkoholtests in 85 % der Fälle überein. Für die medizinische Diagnostik gilt eine Genauigkeit von 80 % oder mehr als „ausgezeichnet“.

Die Forscher vermuten, dass die Genauigkeit wahrscheinlich höher gewesen wäre, wenn die Atem- und Speichel-/Nasenabstrichproben gleichzeitig entnommen worden wären.

Im Gegensatz zu einem Nasenabstrich ist der Alkoholtester nicht-invasiv. Und anders als bei einer Speichelprobe werden Anwender vor der Anwendung nicht aufgefordert, auf Essen, Trinken oder Rauchen zu verzichten. Für den Abbau der Probe sind keine kostspieligen Chemikalien erforderlich. Und der neue Test könnte möglicherweise auch bei Personen eingesetzt werden, die nicht bei Bewusstsein sind.

Aber es gebe noch viel zu lernen, sagte Ye.

„Mit einem Atemzug können wir so viele Datenpunkte von Ihnen sammeln, aber was dann? Wir verstehen nur wie.“ ein paar Moleküle mit bestimmten Bedingungen korrelieren“, sagte Ye.

Bau eines kleineren Alkoholtesters

Heutzutage besteht der „Alkoholtester“ aus einer komplexen Anordnung von Lasern und Spiegeln von der Größe einer Banketttafel.

Eine Atemprobe wird durch ein Rohr eingeleitet, während Laser unsichtbares Licht im mittleren Infrarotbereich mit Tausenden verschiedener Frequenzen darauf abfeuern. Dutzende winziger Spiegel reflektieren das Licht so oft durch die Moleküle hin und her, dass das Licht am Ende etwa 2,4 Kilometer zurücklegt.

Da jede Art von Molekül Licht anders absorbiert, werfen Atemproben mit unterschiedlichem Molekülaufbau unterschiedliche Schatten. Die Maschine kann zwischen diesen verschiedenen Schatten oder Absorptionsmustern unterscheiden und Millionen von Datenpunkten innerhalb von Sekunden auf ein einfaches Positiv oder Negativ reduzieren – im Fall von COVID.

Es gibt bereits Bestrebungen, solche Systeme auf Chipgröße zu miniaturisieren, um das zu ermöglichen, was Liang sich als „Echtzeit-Überwachung des eigenen Gesundheitszustands für unterwegs“ vorstellt. Das Potenzial endet hier nicht.

„Was wäre, wenn Sie eine Signatur im Atem finden könnten, die Bauchspeicheldrüsenkrebs erkennen könnte, bevor Sie überhaupt Symptome zeigen? Das wäre das Ziel“, sagte die Molekularbiologin und Co-Autorin Leslie Leinwand, wissenschaftliche Leiterin von BioFrontiers und Co-Autorin von die Studium

Andernorts arbeiten Wissenschaftler an der Entwicklung eines Atlas des menschlichen Atems, das jedes Molekül in der menschlichen Ausatmung kartiert und sie mit Gesundheitsergebnissen korreliert. Liang hofft, mit einer größeren Sammlung von Atemproben zu solchen Bemühungen beitragen zu können.

Unterdessen arbeitet das Team mit Pädiatrie- und Atemwegsspezialisten am CU Anschutz Medical Campus zusammen, um zu untersuchen, wie der Alkoholtester nicht nur Krankheiten diagnostizieren, sondern Wissenschaftlern auch ermöglichen kann, sie besser zu verstehen, indem er Hinweise auf Immunreaktionen, Ernährungsdefizite und andere Faktoren gibt, die dazu beitragen könnten zu einer Erkrankung führen oder diese verschlimmern.

„Wenn Sie an Hunde denken, haben sie sich im Laufe der Jahrtausende dazu entwickelt, viele verschiedene Dinge mit bemerkenswerter Sensibilität zu riechen“, sagte Ye. „Wir stehen erst ganz am Anfang des Trainings unserer laserbasierten Nase. Je mehr wir ihr beibringen, desto schlauer wird sie.“