Luften vi andas ut innehåller information som kan hjälpa till med diagnosen sjukdom. Forskare vid Fraunhofer Project Hub för mikroelektroniska och optiska system för biomedicin MEOS utvecklar nu lösningar som är utformade för att möjliggöra analys av andningsgas för detta ändamål. Även om deras forskning fokuserar på tidig upptäckt av cancer, samma princip kan också tillämpas för att skilja mellan COVID-19 och andra andningssjukdomar.

Vissa sjukdomar har en tydlig lukt. En svagt söt och fruktig lukt av aceton, till exempel, kan indikera diabetes. Verkligen, det finns rapporter om läkare i det antika Grekland som kunde upptäcka sjukdomar genom lukten av en patients andedräkt. Dessa karakteristiska lukt orsakas av vissa flyktiga organiska föreningar (VOC) som avges av sjuk vävnad eller själva patogenen innan de första symtomen blir uppenbara.

Utandad luft ger ett fingeravtryck av patientens ämnesomsättning

"Många sjukdomar orsakar en förändring i sammansättningen av flyktiga organiska spårgaser i utandningsluft som kan användas som biomarkörer, "förklarar doktor Jessy Schönfelder, forskningsassistent på Fraunhofer MEOS. "Det är ofta en kombination av flera spårgaser i en signifikant förhöjd eller signifikant reducerad koncentration som är karakteristisk för en specifik sjukdom. Detta kallas VOC -fingeravtryck eller VOC -mönster." Fraunhofer MEOS i Erfurt är ett tvärvetenskapligt projektnav med deltagande av Fraunhofer Institutes for Cell Therapy and Immunology IZI, Photonic Microsystems IPMS, och tillämpad optik och precisionsteknik IOF.

Det finns specifika markörkombinationer för många fler sjukdomar än man en gång trodde. Var och en av dem måste noggrant dechiffreras. Detta är den uppgift som Schönfelder står inför, en kemist genom utbildning, och hennes team. Tillsammans, de utvecklar nu en speciell jonmobilitetsspektrometer (IMS) för att identifiera dessa VOC-mönster. Med tanke på att varje person andas ut cirka 200 VOC, det här är inget lätt jobb. Fokus för denna forskning är upptäckt av cancer - särskilt lungcancer.

Forskargruppen vid Fraunhofer MEOS hoppas att denna nya teknik kommer att kunna upptäcka ett brett spektrum av biomarkörer. De vill också använda den för att skilja mellan COVID-19 och andra luftvägsinfektioner. Det finns också i Fraunhofer -klusterprojektet M3Infekt, som utvecklar en mobil, modul, multimodalt övervakningssystem för att möjliggöra snabba ingripanden vid plötslig försämring av tillståndet hos COVID-19-patienter. Vidare, man hoppas att denna metod för andningsgasanalys kan ge en förut indikation på neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers. Detta skulle inte bara ge en tidigare varning än med konventionella metoder som blodprov utan också vara mer bekvämt, eftersom det bara kräver att patienten andas in i ett rör.

"Det finns en enorm potential för sensorsystem i andningsgasanalys, "Schönfelder förklarar." IMS -tekniken är icke -invasiv, känslig och selektiv. Och det går snabbt, billig och även kompakt och bärbar, så det finns ingen anledning till att det inte ska användas i medicinsk praxis och sjukhus. Den färdiga produkten kommer att vara ungefär lika stor som en skokartong. "

Ett FAIMS -chip med växelspänning

Kärnan i detta nya IMS-system är ett miniatyriserat högfält asymmetriskt jonmobilitetsspektrometri (FAIMS) chip. Det mikroelektromekaniska systemet (MEMS) består av ett jonfilter och en detektor. Enheten har också en UV -lampa. I det första fallet, VOC - som bärs i en bärgas - pumpas in i spektrometern, där de joniseras med hjälp av UV -ljus. Med andra ord, de förändras till laddade molekyler. "Dessa matas sedan till FAIMS -chipet, som utvecklades av Fraunhofer IPMS, "säger Schönfelder." En växelspänning appliceras sedan på filterelektroderna. Genom att justera spänningen vid filtret, du kan styra vilka VOC:er som kommer igenom detektorn. Detta genererar ett VOC -fingeravtryck, vilket gör att vi kan identifiera den sjukdom vi letar efter. "

För närvarande, forskargruppen arbetar för att förbättra det elektroniska kontrollsystemet och för att förbättra provutvinning och provbehandling. Under tiden, referensmätningar med cellkulturer har nu genomförts framgångsrikt, och ytterligare undersökningar med kliniska humana prover är på gång. I ett projekt som nyligen genomförts vid Fraunhofer IZI, forskare som använder en liknande teknik kunde skilja sju olika bakteriestammar.

På samma gång, specialutvecklade AI -algoritmer förväntas förenkla utvärderingen av VOC -fingeravtryck. "Varje mätning genererar en halv miljon avläsningar, "Schönfelder förklarar." Så vi vill använda maskininlärning för att analysera denna enorma datamängd. "Algoritmen tränas med hjälp av prover från friska testpersoner och cancerpatienter. Resultaten av sådana mätningar finns tillgängliga inom några minuter." Och vi kan mycket väl föreställa mig att vår jonmobilitetsspektrometer en dag kan användas för att screena flygpassagerare för att avgöra om de är infekterade med coronaviruset, "tillägger hon.