Исследователи из России и Италии создали компактную систему сенсоров, которая может анализировать выдыхаемый воздух, а также выявлять патологии дыхательных путей и органов. Испытания устройства показали, что оно способно с высокой точностью определять хроническую обструктивную болезнь легких (ХОБЛ) — воспалительное заболевание дыхательных путей.

Статья об открытии опубликована в журнале Advanced Healthcare Materials.

ХОБЛ развивается в слизистых бронхов из-за различных внешних факторов. В конечном итоге она приводит к изменениям функций органов дыхательных путей и может стать причиной смерти от удушья. При этом заболевании, которое чаще всего вызывается газами и летучими частицами, наблюдается сужение просвета дыхательных путей, из-за чего развивается дыхательная недостаточность. Для выявления этой болезни существующими методами приходится затрачивать достаточно много времени. Точнее всего определить ХОБЛ помогают газовая хроматография и масс-спектроскопия, которые, однако, дороги и трудоемки.

Авторы поддержанного грантом Российского научного фонда исследования из НИУ «МИЭТ», Сколтеха и Католического университета Святого Сердца предложили свой метод диагностики ХОБЛ. Он основан на том, что при возникновении этого заболевания наблюдаются изменения в метаболизме, которые влияют на состав выдыхаемого человеком воздуха. Созданный учеными в ходе экспериментов «электронный нос» позволяет быстро контролировать и выявлять такого рода заболевания в течение всего нескольких минут. При этом сами сенсоры являются многоразовыми, а полученные в ходе измерений данные анализируются с помощью искусственного интеллекта для дифференциальной диагностики болезней.

Новое устройство создано на основе модифицированных углеродных нанотрубок (УНТ), что позволяет «электронному носу» совмещать в себе важные свойства, такие как гибкость и электропроводность чувствительных пластин. Сами УНТ авторы создавали с помощью метода аэрозольного химического осаждения из газовой фазы в виде тонких прозрачных и токопроводящих пленок. Такая методика легко воспроизводима и масштабируема, а также позволяет наносить пленки из нанотрубок на любые поверхности.

Чтобы проверить эффективность новой системы, ученые провели клинические испытания новинки. Для этого они пригласили 12 больных с ХОБЛ и девять здоровых людей. Отбор проб воздуха производился в одноразовые полиэтиленовые мешки. В ходе теста участники вдыхали максимальный объем воздуха и надували мешок через пластиковую соломинку. Затем ученые убирали соломинку и запечатывали пакеты. Внутри мешка находилась сенсорная матрица, которая контактировала с выдыхаемым воздухом порядка трех минут, чтобы все датчики успели полностью сработать и провзаимодействовать с молекулами газов. По прошествии времени систему очищали сухим воздухом для проведения следующего исследования, образцы собирали от каждого участника с интервалом в один час.

У всех 12 участников с ХОБЛ система обнаружила следы характерных для заболевания соединений, в частности диоксида азота. Также авторы успешно протестировали систему на газах, которые могут характеризовать другие заболевания. Это такие летучие соединения, как аммиак, диоксид азота, гипохлорит натрия, вода, бензол, водород, сульфид, ацетон, этанол и 2-пропанол. Они связаны со специфическими заболеваниями и потенциально могут быть рассмотрены как их биомаркеры.

Например, присутствие 2-пропанола, бензола, этанола и ацетона в выдыхаемом воздухе может говорить о наличии у человека рака легких, а ацетон является компонентом выдыхаемого воздуха 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. Гипохлорит натрия в повышенном количестве содержится у детей с бронхиальной астмой и кистозным фиброзом.