Доктор Сара Шолтен и доктор Крис Перелла, исследователи из Университета Аделаиды и ассоциированные исследователи проекта COMBS, описывают использование оптических гребней частот для анализа дыхания.
Представьте, что вы стоите на кухне у себя дома и чувствуете себя немного нехорошо. Вы достаёте портативное устройство из аптечки и дышите в него, ожидая мгновенного диагноза того, чем вы заболели.
Такое устройство разрабатывается прямо сейчас с использованием технологии, называемой оптическими гребнями частот. Или просто гребнями.
«Можно представить, что оно будет в вашем телефоне», — предполагает доктор Сара Шолтен, исследователь из Института фотоники и передовой сенсорики Университета Аделаиды в Австралии.
«Возможно, вы разговариваете по телефону или листаете TikTok, дышите на него, и он говорит: „Эй, у вас есть маркеры гриппа, вам следует обратиться к врачу“».
Возможно, это устройство могло бы использоваться врачом для отслеживания состояния здоровья пациента в отдалённых районах, где нет доступа к современным медицинским учреждениям, или без необходимости инвазивных процедур.
В ситуациях, когда время имеет значение, оно могло бы выявить инфекционное заболевание, чтобы его можно было немедленно лечить, или определить, использовал ли спортсмен допинг.
Шолтен и её коллеги работают над тем, чтобы сделать эти мечты медицинской реальностью.
Технология будет обнаруживать «летучие органические соединения» (ЛОС) и другие неорганические газы, выдыхаемые нами при дыхании, некоторые из которых уже признаны «биомаркерами» здоровья человека.
Например, выдыхаемый оксид азота используется для мониторинга астмы, а количество водорода может диагностировать бактериальный рост в тонком кишечнике.
Но в человеческом дыхании сотни ЛОС, и они присутствуют в таких низких концентрациях (до уровня частей на триллион), что для их обнаружения требуются высокочувствительные и селективные инструменты.
Собаки, обученные обнаруживать изменения в физиологии человека, такие как рак, инфекционные заболевания или медицинские эпизоды, например, судороги, улавливают изменения в профиле этих ЛОС.
В отсутствие мощной обонятельной системы, подобной собачьей, исследователи традиционно использовали дорогостоящее специализированное оборудование, технические знания и много времени для анализа в лаборатории.
Но доступный клинический инструмент, достаточно чувствительный для непрерывного мониторинга ряда этих биомаркеров и способный делать это непосредственно в точке оказания медицинской помощи, остаётся за пределами возможностей современных технологий.
Шолтен, которая также является ассоциированным исследователем в Австралийском исследовательском совете Центра передового опыта в области оптических микрогребней для прорывных научных исследований (COMBS), считает, что оптические гребни частот могут стать ключом к решению этой задачи.
**Что такое оптический гребень частот?**
«Оптический гребень частот — это… следующее поколение лазеров», — говорит адъюнкт-профессор Университета Монаша и главный исследователь COMBS Билл Коркоран.
«У нас есть лазеры с 60-х годов… они излучают действительно очень точный цвет света, будь то… что-то, что мы можем видеть, или [не можем] видеть».
Обычно мы думаем о свете как о цветах радуги. Но это только часть всего электромагнитного спектра, который простирается от высокочастотного гамма-излучения до низкочастотных радиоволн.
«Гребни не только создают один точный цвет света, но и излучают множество различных цветов света, которые расположены на очень точном расстоянии друг от друга», — говорит Коркоран.
«Вот почему мы называем это частотным гребнем — зубья расположены на равном расстоянии друг от друга».
Представьте гребень, сделанный из света, с множеством зубьев, расположенных на очень точных, равных интервалах. Если бы это было ограничено видимым светом, зубья образовали бы постепенную радугу от красного до фиолетового.
«Расстояние между линиями — это то, что мы можем относительно легко измерить с помощью электроники», — говорит Коркоран.
Это свойство означает, что оптические гребни частот имеют множество потенциальных применений, от сверхбыстрого интернет-соединения до оптических атомных часов для GPS и даже астрономии.
**Гребни как молекулярные линейки**
Как объясняет главный исследователь COMBS и профессор Университета Южной Австралии Дэвид Ланкастер, оптические гребни частот также можно использовать в качестве линейки для изучения молекул.
«Каждая из молекул… поглощает разные цвета [света]», — говорит Ланкастер.
Каждая молекула имеет свою собственную структуру и комбинацию атомов, что означает, что она поглощает и переизлучает свет характерным образом.
Когда лазерный луч оптического гребня частот пропускается через образец газа, некоторые поглощённые длины волн исчезают из спектра гребня. Это оставляет характерные промежутки, своего рода гребень с отсутствующими зубьями.
Эти промежутки уникальны, как молекулярный отпечаток пальца, и могут быть использованы для определения того, какие молекулы присутствуют в образце и в какой концентрации.
«Преимущество этого метода заключается в его стабильности, так что потенциально мы можем проводить спектроскопию на уровне частей на миллиард в атмосфере», — говорит Ланкастер. Это можно использовать для измерения концентрации парниковых газов или других загрязнителей более быстро и точно.
Мечта состоит в том, чтобы использовать оптические гребни частот для анализа проб дыхания.
«Объединив это с машинным обучением… можно увидеть, есть ли у человека диабет по тому, что выходит из его дыхания», — предполагает он.
**Ещё есть над чем работать**
В статье, опубликованной в прошлом году в журнале Biomedical Optics Express, ассоциированный исследователь COMBS Крис Перелла, Шолтен и их коллеги из Университета Аделаиды продемонстрировали, что их прототип оптического гребня частот может наблюдать за изменением метаболизма живого организма путём мониторинга его производства углекислого газа в режиме реального времени.
Для этого был выбран пекарский дрожжевой грибок (Saccharomyces cerevisiae) как простой аналог человеческого дыхания.
Как и люди, пекарские дрожжи «выдыхают» углекислый газ, когда метаболизируют сахара.
Это также происходит во влажной среде (как и человеческое дыхание), что важно, поскольку водяные пары могут затруднить обнаружение газов, присутствующих в гораздо более низких концентрациях.
«Самое интересное в этом то, что… можно даже обнаружить изотопологи», — говорит Шолтен. Изотопологи одной и той же молекулы имеют по крайней мере один атом, называемый изотопом, с другим количеством нейтронов.
Эксперимент с оптическим гребнем частот для анализа пекарских дрожжей. Предоставлено: COMBS
Изотопологи уже используются в медицине для диагностических дыхательных тестов. Например, для диагностики наличия Helicobacter pylori, типа кишечных бактерий, которые могут вызывать язву желудка, человек принимает мочевину, содержащую углерод-13, которая преобразуется бактериями в углерод-13, обозначенный CO2, который человек затем выдыхает.
Шолтен и команда кормили дрожжи смесью обычной глюкозы и глюкозы, помеченной углеродом-13, и показали, что они могут определить, сколько полученного углекислого газа содержит углерод-13 или углерод-12.
Хотя до создания клинического устройства ещё предстоит пройти как минимум десятилетие, это исследование, подтверждающее концепцию, является важным первым шагом на пути к увеличению способности оптического спектрометра с гребнем частот обнаруживать биомаркеры в гораздо более низких концентрациях в человеческом дыхании.