Il tuo respiro terribile sta cercando di dirti qualcosa, e non solo che è tempo di aprire una bottiglia di Listerine. All'interno di quella nuvola di odori di tonno stantio e di cipolla ci sono centinaia di composti chimici, che si combinano in bocca per creare un rapporto unico come un'impronta digitale. Analizzando tale rapporto, i ricercatori hanno escogitato un nuovo modo potente per rilevare le firme di varie malattie, dal cancro alla prostata a quello del Parkinson.
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Oggi sulla rivista American Chemical Society Nano, i ricercatori svelano una serie di sensori che identificano e catturano l'esclusiva "impronta" di 17 diverse malattie. I ricercatori sperano che il loro array, che utilizza l'intelligenza artificiale per abbinare i vari livelli e rapporti di 13 composti chimici chiave trovati nel respiro umano a diverse malattie, spianerà la strada a uno strumento diagnostico medico versatile. Dopo aver provato il respiro di oltre 1.400 persone, hanno scoperto che la loro tecnica era in grado di discriminare le malattie con un'accuratezza dell'86%.
La scienza dietro l'odore del respiro di una persona risiede nella suite di composti chimici organici che espelliamo abitualmente in aria ad ogni risata, urlo o sospiro. Questi composti vengono spesso contrassegnati con i segni di cambiamenti biochimici provocati da malattie specifiche, un fenomeno che costituisce la base della moderna diagnostica del respiro. Il problema è che c'è un sacco di rumore di fondo da esaminare: in una nuvola di respiro espirato, in genere vedrai centinaia di questi composti.
Gli antichi medici risalenti al 400 a.C. sapevano che c'era qualcosa da raccogliere dall'annusare il respiro di una persona malata. Il famoso medico greco Ippocrate, tra l'altro, era solito annusare il respiro dei suoi pazienti per scoprire cosa li affliggeva. (Ancora peggio, alcuni medici sentivano l'odore dell'urina o delle feci dei loro pazienti.) Da allora siamo diventati leggermente più sofisticati; l'analisi del respiro è stata impiegata con successo per diagnosticare la cirrosi epatica, il diabete e il cancro del colon-retto. C'è persino un Journal of Breath Research dedicato.
Ma in precedenza, tali sforzi sono stati principalmente utilizzati per rilevare una singola malattia. Nel nuovo studio, Hossam Haick, un esperto di nanotecnologie presso Technion — Israel Institute of Technology, e diverse dozzine di collaboratori internazionali miravano a gettare le basi per uno strumento diagnostico generale per identificare le firme del respiro di molte malattie, tra cui insufficienza renale, cancro ai polmoni, Morbo di Crohn, SM, carcinoma della prostata e delle ovaie e altro ancora. La loro matrice valuta innanzitutto l'abbondanza relativa di ciascun composto nel respiro di una persona, quindi confronta le firme della malattia con individui sani.
"Abbiamo una miscela di composti che caratterizzano una determinata malattia e questo quadro è diverso da una malattia all'altra", spiega Haick. Utilizzando l'analisi della spettrometria di massa, il gruppo ha prima identificato le firme dei composti specifici per 17 diverse malattie. Hanno quindi campionato il respiro di oltre 1.400 persone, utilizzando una matrice sensoriale di nanotubi di carbonio e particelle d'oro per registrare quale miscela di composti hanno espirato. Una serie di algoritmi informatici ha decifrato ciò che i dati raccontavano della presenza o dell'assenza di ciascuna malattia.
È allora che entra in gioco l'intelligenza artificiale. "Possiamo insegnare al sistema che un'impronta del respiro potrebbe essere associata a una particolare malattia", afferma Haick, che ha co-condotto lo studio. "Funziona nello stesso modo in cui utilizzeremmo i cani per rilevare specifici composti. Portiamo qualcosa al naso di un cane e il cane trasferirà quella miscela chimica su una firma elettrica e la fornirà al cervello, quindi la memorizzeremo in specifiche regioni del cervello ... Questo è esattamente ciò che facciamo. Lasciamo annusare una determinata malattia ma al posto del naso utilizziamo sensori chimici e al posto del cervello utilizziamo gli algoritmi. Quindi, in futuro, può riconoscere la malattia come un cane potrebbe riconoscere un profumo. "
Jonathan Beauchamp, fisico ambientale presso il Fraunhofer-Institute for Process Engineering and Packaging in Germania, afferma che la tecnologia rappresenta un modo promettente per superare un grosso ostacolo nell'analisi del respiro. "Gli stessi COV (composti organici volatili) si accendono spesso come marcatori per molte malattie diverse", afferma. "In effetti, è ormai ampiamente accettato dalla comunità di ricerca sul respiro che è improbabile che esistano COV unici per malattie specifiche."
Pertanto, la ricerca di concentrazioni di vari COV in relazione tra loro, come hanno fatto Haick e colleghi, può dimostrare il metodo diagnostico più accurato, aggiunge. "Questi risultati dimostrano un'elevata accuratezza nel discriminare una specifica malattia contro un'altra ... L'attuale studio dimostra chiaramente il potere e la promessa della tecnica dell'array di nanoparticelle d'oro", afferma.
Lo studio ha coinvolto dozzine di studiosi con sede in 14 istituti di ricerca in cinque paesi diversi. I partecipanti erano altrettanto diversi: l'età media era di 55 anni; circa la metà erano maschi e metà erano femmine; e circa un terzo erano fumatori attivi. I partecipanti sono stati reclutati in tutto il mondo negli Stati Uniti, Israele, Francia, Lettonia e Cina. "Il gran numero di soggetti su diverse aree geografiche è davvero un punto di forza di questo studio", afferma Cristina Davis, un ingegnere biomedico che dirige il laboratorio di bio-strumentazione presso l'Università della California a Davis.
"Grandi studi clinici come questo aiuteranno a spingere in avanti i limiti dell'analisi del respiro e dovrebbero aiutare a portare a promettenti strumenti medici per la pratica clinica", aggiunge Davis, che non era coinvolto nello studio. "Hanno acquisito nuove conoscenze sulla spettrometria di massa e le hanno abbinate alla loro nuova uscita di sensori".
Haick spera che i test diffusi del suo team porteranno a un uso diffuso del nanosistema. Dice che, dal momento che è conveniente, non invasivo e portatile, potrebbe essere usato per schermare ampiamente le malattie. Selezionando anche quelli senza sintomi, un tale strumento potrebbe consentire i tipi di interventi precoci che portano a risultati migliori.
Ma questo "naso" alimentato dall'IA potrebbe anche avere applicazioni ben al di là della diagnostica medica. Diverse aziende lo hanno già concesso in licenza per altre applicazioni, afferma Haick. Tra i molti potenziali usi, nota che l'array potrebbe essere utilizzato per il controllo di qualità rilevando il deterioramento degli alimenti. Potrebbe anche essere utilizzato per la sicurezza negli aeroporti, rilevando le firme chimiche dei dispositivi esplosivi.
"Il sistema è estremamente sensibile e devi solo addestrarlo a diversi tipi di applicazioni", afferma.
