激光分析仪可以嗅出COVID

每次呼吸,人类呼出超过1000个不同的分子,产生一个独特的化学指纹或“breathprint”丰富的线索在体内发生了什么。

几十年来,科学家们试图利用这些信息,求助于狗、老鼠甚至蜜蜂嗅出癌症,糖尿病、肺结核等等。

本周,科学家从铜博尔德和国家标准与技术研究院(NIST)做了一个重要的飞跃寻求诊断疾病使用呼出一口气,报告说,一个新的激光分析仪由人工智能(AI)可以检测COVID-19实时的准确性。

结果发表在4月5号的杂志呼吸的研究。

:“我们的结果证明的承诺呼吸分析作为一种替代方法,快速、非侵入性诊断测试COVID-19并强调它的潜力不同条件和疾病状态,”梁第一作者旗忠说,JILA的博士生和铜博尔德的物理系。JILA铜博尔德是一个伙伴关系和国家标准。

物理学家的多学科小组,生物化学家和生物学家现在把工作重心转向多种其他疾病,希望“频率梳分析仪”的人群诺贝尔奖得主、技术从CU-could彻底改变医学诊断。

”有一个真正的,可预见的未来,你可以去看医生,你的呼吸测量你的身高和体重…或者你可以吹成一个喉舌集成到你的电话和实时获取信息关于你的健康,”资深作者君你们说JILA研究员和伴随的物理学教授。“潜力是无限的。”

COVID-born合作

早在2008年,你们的实验室报告说,一种频率梳技术spectroscopy-essentially使用激光来区分一个分子可能从另一个地方,可以识别人类呼吸疾病的生物标记物。

技术缺乏敏感性和,更重要的是,链接特定分子疾病状态的能力,所以他们从来没有测试诊断疾病。

但是你们的团队已经提高了敏感性为人处事,使检测跟踪分子兆分之一级。他们还利用人工智能的力量。

“分子浓度的增加或减少,当与特定疾病相关,”梁说。“机器学习分析这些信息,识别模式和发展标准我们可以用来预测诊断。”

与全国SARS-CoV-2撷取和沮丧越来越长的响应时间对于现有的测试,来测试系统的时间。作为一个物理学家,你们从来没有与人体,所以他参军JILA的帮助物理学家大卫·奈斯比特;另一个学生Ya-Chu JILA陈;和铜的BioFrontiers研究所,一个跨学科的生物医学研究中心向上校园COVID测试程序。

美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院资助的研究。

“这是一个美妙的合作带来的一些技术,他们已经逐渐发展成为物理学家的医疗环境中,“分子生物学家Leslie雷旺德说,首席科学官BioFrontiers和该研究的合著者。“从一开始,我们知道COVID之外也有巨大的潜力。”

非侵入式的、快速、不含化学物

2021年5月到2022年1月,该研究小组收集了170立方的呼吸样本博尔德的学生,在过去48小时内,聚合酶链反应(PCR)检测,通过提交唾液或鼻样本。学生自愿参与研究和补偿他们的时间与一个小礼物。

阳性,一半为负。(由于安全原因,参与者来到校园室外停车场,吹在样品收集袋,对实验室技术等在一个安全的距离。)

总的来说,这个过程用了不到一个小时从收集到的结果。

PCR相比,金本位COVID测试,酒精结果匹配的85%的时间。为医学诊断的准确性80%或更大的被认为是“优秀”。

“我们非常高兴地看到如何准确,特别是考虑到延迟时间,”合著者克里斯汀Bjorkman说BioFrontiers跨学科研究主管。他指出,精度可能会更高,如果呼吸和唾液/鼻拭子样本收集在同一时间。

非侵入性与鼻拭子,酒精浓度。和与唾液样本,用户不要求不要吃,喝或吸烟前使用它。与其他测试不同,它不需要昂贵的化学物质分解示例。新的测试可以被用于个人不是有意识的。

但是还有很多东西要学习,说你们。

“与一个呼吸,我们可以收集很多数据点,但然后呢?我们只了解几个分子与具体情况,”叶说。

构建一个小型分析仪

今天,“酒精”包括一系列复杂的激光和镜子表大小的宴会。

呼吸样本是通过一个管道管在激光火力无形的中红外在成千上万的不同频率的光。几十个小镜子反射光线通过分子来回很多次,最后,光速约1.5英里。

因为各种不同的分子吸收光,呼吸样品用不同的分子构成投下的阴影。机器可以区分这些不同的阴影或吸收模式,沸腾的数百万数据点下来过来COVID-a简单的积极或消极的情况下,在几秒。

这样的努力已经展开,使小型化系统芯片,允许梁想象为“实时、自我监测。“可能并没有就此结束。

“如果你能找到一个签名在呼吸之前,你甚至可以检测胰腺癌症状。雷旺德表示:“这将是全垒打。

在其他地方,科学家们正致力于开发一个人类呼吸阿特拉斯地图每个分子在人类呼出和它们与健康结果相关。梁希望为这些努力与大规模的呼吸样本。

与此同时,团队合作与儿科和呼吸道专家铜安舒茨医学校园探讨酒精浓度不仅可以诊断疾病,也使科学家能够更好地理解他们,提供线索免疫反应、营养不良和其他因素可能导致或加重疾病。

你们和梁继续完善酒精疾病甚至更让鼻子。

“如果你想到狗,他们进化了几千年闻不同的事物的敏感性,”叶说。“我们只是在最开始的培训我们的激光的鼻子。我们教它越多,聪明的就来了。”

参考:梁问,陈YC Toscano J, et al .敏感的呼吸分析宽带激光光谱学检测SARS-CoV-2感染。J呼吸Res。2023;17 (3):036001。doi:10.1088 / 1752 - 7163 / acc6e4

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