Ученые из России и Италии предложили компактную сенсорную систему, которая может анализировать выдыхаемый воздух, а также выявлять патологии дыхательных путей и органов. В ходе экспериментов продемонстрирована высокая точность определения больных с хронической обструктивной болезнью легких — воспалительным заболеванием дыхательных путей, которое повышает риск осложнений при заражении COVID-19. Разработка самой сенсорной системы поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ). О своих исследованиях ученые рассказали на страницах журнала Advanced Healthcare Materials, кратко о них сообщается в пресс-релизе РНФ.
Хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) развивается в слизистых бронхов в ответ на патогенные внешние факторы и приводит к негативному изменению функций органов дыхательных путей. Пациент не может получать необходимый кислород, так как вдыхаемый воздушный поток ограничивается. Самые частые возбудители ХОБЛ –— газы и летучие частицы, например пыль, табак, частицы кадмия и кремния и прочее. Методики выявления этого заболевания сложны и занимают много времени, что неразрывно связано с угрозой здоровью пациента. Обычные методы для анализа дыхания, например, газовая хроматография и масс-спектроскопия, дорогостоящие и трудоемкие, поэтому требуются новые подходы, отличающиеся низкой стоимостью и быстротой тестирования. ХОБЛ — актуальная проблема, так как следствиями заболевания становятся ограничение физической работоспособности и инвалидизация пациентов. Важно отметить, что люди с ХОБЛ наиболее подвержены риску осложнений в случае заражения COVID-19.
«Нарушение работы органов человека вызывает изменение ряда процессов в его метаболизме, что отражается на составе выдыхаемого воздуха. Его анализ может быть использован для выявления болезней не только дыхательной системы, но и других внутренних органов, например, желудка, — объясняет руководитель проекта по гранту РНФ Иван Бобринецкий, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник НИУ «Московский институт электронной техники». — Предложенная концепция электронного носа позволяет проводить оперативный контроль и предварительное выявление заболеваний в течение всего нескольких минут. При этом сами сенсоры являются многоразовыми, а основные данные и определение возможных патологий органов переносится с приборной части в цифровую с использованием методов статистического анализа данных, в том числе возможностей искусственного интеллекта».
Система изготовлена на основе углеродных модифицированных нанотрубок (УНТ), что позволяет электронному носу совмещать в себе различные нужные свойства. Например, из углеродных трубок можно создавать гибкие и эластичные проводящие пленки. Такие пленки нужны для того, чтобы обеспечить систему слоем с заданной электронной структурой, которая будет отвечать за работу устройства.
«Углеродные модифицированные нанотрубки были синтезированы аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы и осаждены в виде тонких прозрачных и токопроводящих пленок. Данная технология является высоковоспроизводимой, легко масштабируемой и позволяет наносить пленки из нанотрубок на любые поверхности», — рассказал Альберт Насибулин, профессор Сколтеха, профессор РАН, доктор технических наук. Разработка технологии изготовления нанотрубок, из которых состоит сенсорная система, также поддержана грантом РНФ.
В исследовании эффективности новой системы участвовали 12 больных с ХОБЛ и 9 здоровых людей в соответствии с правилами клинических испытаний. Отбор проб воздуха производился в одноразовые полиэтиленовые мешки из политетрафторэтилена (ПТФЭ) — очень инертного материала, содержащего сенсорную матрицу. Испытуемые максимально вдыхали и надували мешок через пластиковую соломинку. После соломинку извлекали и пакеты запечатывали. Сенсорная матрица внутри мешка находилась в контакте с выдыхаемым воздухом около трех минут, чтобы все датчики успели полностью сработать и провзаимодействовать с молекулами газов, характеризующих патологии. Затем систему очищали сухим воздухом для проведения следующего исследования, образцы собирали от каждого участника с интервалом в один час.
Система обнаружила всех людей с ХОБЛ, соответственно, можно утверждать, что устройство эффективно. В выдыхаемом воздухе была обнаружена повышенная концентрация диоксида азота. Следует отметить, что содержание газа составляет менее одной молекулы на миллион молекул выдыхаемого воздуха, что говорит о высокой чувствительности разработанных сенсоров.
Также ученые успешно проверили свою систему на газах, которые могут характеризовать другие заболевания. Летучие вещества, выбранные для настоящего исследования (аммиак, диоксид азота, гипохлорит натрия, вода, бензол, водород, сульфид, ацетон, этанол и 2-пропанол) связаны со специфическими заболеваниями и потенциально могут быть рассмотрены как их биомаркеры. Так, содержание 2-пропанола, бензола, этанола и ацетона в выдыхаемом воздухе повышено у людей с раком легких, в то время как ацетон обнаруживается у пациентов с сахарным диабетом. Высокая концентрация аммиака в дыхании человека связана с заболеваниями печени или почек, а сероводород был предложен в качестве биомаркера астмы. Показано, что концентрация гипохлорита натрия составляет повышенное содержание в выдыхаемом воздухе у детей с бронхиальной астмой и кистозным фиброзом.
Исследования проведены совместно с учеными из Католического университета Святого Сердца (Италия), Университета Аалто (Финляндия) и Университета города Нови-Сад (Сербия).
