Российские ученые ведут разработки сенсоров, которые смогут определять наличие различных газов в выдыхаемом человеком воздухе с высокой точностью. По замыслу исследователей, такие высокочувствительные датчики помогут диагностировать ряд заболеваний, среди которых называют легочные и сердечно-сосудистые патологии, а также сахарный диабет.
Проект курируется Сибирским федеральным университетом (СФУ) и Институтом неорганической химии СО РАН, а сама разработка ведется при поддержке Российского научного фонда и Минобрнауки РФ. Российский кардиолог, профессор медицины, доктор медицинских наук Евгений Покушалов дал экспертный комментарий о развитии проекта и о том, как высокочувствительные датчики помогут диагностировать различные серьезные заболевания.
Расскажите, пожалуйста, как устроен метод анализа выдыхаемого воздуха?
«При ряде заболеваний меняется метаболизм, что приводит к изменению концентраций специфических летучих веществ (например, ацетон, аммиак, альдегиды и другие) в выдыхаемом воздухе. Подобные маркеры присутствуют в очень малых количествах (часто на уровне ppb — parts per billion), поэтому необходимы высокочувствительные сенсоры, способные „уловить“ эти следы и проанализировать их состав. Одним из преимуществ дыхательной диагностики является неинвазивность. Нет необходимости брать кровь или выполнять другие травматичные процедуры».
По мнению профессора Покушалова, анализ дыхания в перспективе может занимать считанные минуты. Создаваемые сенсоры не потребуют частой замены, что значительно снизит стоимость и расширит область применения.
Как используемые гибридные материалы влияют на точность исследования?
«В рамках этого исследования планируется использовать гибридные материалы на базе углеродных нанотрубок и фталоцианинов металлов. Такая связка обладает высокой площадью поверхности, что повышает чувствительность сенсоров. Она способна связывать даже минимальные количества газов, которые „выдают“ болезнь. Система не теряет свойств при комнатной температуре в течение нескольких месяцев, что повышает практическую ценность датчиков.
В международном научно-исследовательском центре спектроскопии и квантовой химии СФУ проводят квантово-химические вычисления, чтобы интерпретировать данные, получаемые экспериментально, смоделировать поведение гибридных материалов при контакте с определёнными газами и снизить возможные ошибки при масштабировании технологии», — объясняет Покушалов.
Где могут применяться сенсоры?
«Высокочувствительные датчики могут применять при ранней диагностике: легочных заболеваний (например, астмы, ХОБЛ), сердечно-сосудистых патологий, сахарном диабете. И даже некоторые онкологические заболевания могут иметь специфические „дыхательные маркеры“.
Сенсоры можно использовать при лечении больного. Специалисты смогут отслеживать изменения состава дыхания, чтобы быстро реагировать на ухудшение состояния. Также система может использоваться для обнаружения утечек опасных веществ на предприятиях (например, аммиака, сероводорода). С помощью высокочувствительных сенсоров возможно контролировать загрязнение окружающей среды, вовремя выявляя повышенные концентрации токсичных газов».
По словам Покушалова, в будущем подобные сенсоры могут войти в состав компактных гаджетов для самопроверки, хотя пока речь, вероятнее всего, идет о лабораторных и больничных анализаторах.
Какие у метода есть преимущества?
Работа с наноматериалами и применение квантово химических расчётов повышают шансы на успешный лов «следовых» количеств маркерных газов. Если разработчики сумеют обеспечить стабильность датчиков без необходимости нагревания до высоких температур, это упростит эксплуатацию прибора и снизит стоимость. У сенсоров широкий спектр применения — от медицины до экологии. Им необходима калибровка: в медицине крайне важно, чтобы сенсор не давал ложноотрицательных или ложноположительных результатов. Состав дыхания также может изменяться под влиянием рациона, уровня стресса, окружающей среды.
Какая мировая практика анализа дыхания как метода диагностики существует?
«Анализ дыхания как метод диагностики начинает широко внедряться во многих странах. К примеру, в США и Великобритании существуют проекты, тестирующие устройства для определения маркеров рака лёгких и метаболических расстройств. В этом плане российская разработка идёт в ногу с общемировыми тенденциями и может занять свою нишу, особенно если ученым удастся добиться низкой себестоимости и удобства в использовании, — считает профессор Покушалов.
Разработка высокочувствительных сенсоров для анализа выдыхаемого воздуха открывает перспективы для более раннего выявления и мониторинга ряда заболеваний. Из-за неинвазивности методики пациенты с хроническими патологиями (астма, диабет, сердечно-сосудистые болезни) смогут проходить дополнительную диагностику без частых анализов крови. Более того, при массовом внедрении подобных сенсоров медицинские учреждения смогут быстрее и дешевле проводить первичный скрининг. Также ранняя диагностика позволяет уменьшить нагрузку на систему здравоохранения, снизить риски осложнений и смертности. Кроме того, сенсоры можно сочетать с другими методами (генетическими тестами, анализами крови и мочи, мониторингом биохимических маркеров), формируя более точную картину здоровья пациента».
Как вы видите развитие этих систем диагностики?
Если заявленные параметры чувствительности и стабильности датчиков будут реализованы, это может стать значительным прорывом как для отечественной, так и для мировой медицины. Кроме того, такие сенсоры найдут применение и за пределами здравоохранения — в промышленности, экологическом мониторинге и других сферах, где нужен надежный контроль газовых смесей. В будущем можно будет получить легкий и удобный способ раннего выявления серьезных заболеваний, который поможет многим пациентам выигрывать время и получать эффективное лечение на самых ранних стадиях.
Справка
Профессор Евгений Покушалов — российский кардиохирург и учёный с международным признанием. Член-корреспондент РАН (с 2015 года), входит в 1% лучших экспертов мира по кардиологии по версии Expertscape. Активно сотрудничает с учёными из США, Германии, Греции и других стран. Его исследования легли в основу клинических рекомендаций Европейского общества кардиологии (ESC), Американского колледжа кардиологии (ACC) и Heart Rhythm Society (HRS).
Оцените материал