질병 감지 혁명: 음주 측정기가 COVID-19 등을 탐지합니다.

[이매진]

질병 감지 혁명: 음주 측정기가 COVID-19 등을 탐지합니다.

https://scitechdaily.com/revolutionizing-disease-detection-breathalyzer-sniffs-out-covid-19-and-more/

By UNIVERSITY OF COLORADO AT BOULDER 2023년 5월 15일

JILA의 박사과정 학생이자 University of Colorado Boulder의 물리학과인 Qizhong Liang은 JILA의 Ye 연구소에서 레이저 기반 음주측정기가 어떻게 작동하는지 시연합니다. 궁극적으로 시스템은 "온더고 건강 모니터링"을 위해 소형화될 수 있습니다. 크레딧: 패트릭 캠벨/CU 볼더

양자 레이저 기반 기술은 질병 진단을 위해 날숨을 사용하는 데 있어 상당한 발전을 나타냅니다.

숨을 내쉴 때마다 우리 몸의 내부 상태에 대한 귀중한 통찰력을 제공하는 화학적 서명인 특정 "호흡 자국"을 생성하는 1,000개 이상의 고유한 분자를 방출합니다.

수년 동안 연구자들은 암, 당뇨병, 결핵과 같은 질병을 감지하기 위해 개, 쥐, 심지어 꿀벌의 예리한 후각을 활용하여 이 풍부한 정보를 활용하려고 노력해 왔습니다.

CU 볼더(CU Boulder)와 국립표준기술연구소(NIST)의 과학자들은 날숨을 사용하여 질병을 진단하는 탐구에서 중요한 도약을 했으며, 인공 지능(AI)으로 구동되는 새로운 레이저 기반 음주 측정기가 COVID- 19 실시간으로 뛰어난 정확도 로 .

그 결과는 최근 Journal of Breath Research 에 발표되었습니다 .

제1저자인 Qizhong Liang 박사는 "우리의 결과는 COVID-19에 대한 대체적이고 신속하며 비침습적인 테스트로서 호흡 분석의 가능성을 보여주고 다양한 조건과 질병 상태를 진단할 수 있는 놀라운 잠재력을 강조합니다."라고 말했습니다. JILA 및 CU Boulder의 물리학과 후보. JILA는 CU 볼더와 NIST 간의 파트너십입니다.

물리학자, 생화학자, 생물학자로 구성된 다학제 팀은 이제 CU의 노벨상 수상 기술로 탄생한 "주파수 빗 음주 측정기"가 의료 진단에 혁명을 일으킬 수 있기를 바라며 광범위한 다른 질병으로 초점을 옮기고 있습니다.

"의사에게 가서 키와 몸무게와 함께 호흡을 측정할 수 있는 실제적이고 예측 가능한 미래가 있습니다. 또는 전화기에 통합된 마우스피스에 바람을 불어 실시간으로 건강에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. ”라고 JILA 펠로우이자 CU Boulder의 물리학 겸임 교수인 Jun Ye가 말했습니다. "잠재력은 무한합니다."

COVID로 탄생한 협업

2008년까지만 해도 Ye의 연구실은 주파수 빗 분광법(본질적으로 레이저 광을 사용하여 한 분자를 다른 분자와 구별하는 기술)이 인간의 호흡에서 질병의 바이오마커를 잠재적으로 식별할 수 있다고 보고했습니다.

이 기술은 민감도가 부족했고 더 중요한 것은 특정 분자를 질병 상태에 연결하는 기능이 없었기 때문에 질병 진단을 위해 테스트하지 않았습니다.

그러나 Ye의 팀은 이후 감도를 1000배 향상시켜 1조분의 1 수준에서 미량 분자를 검출할 수 있게 되었습니다. 그들은 또한 AI의 힘을 활용했습니다.

"특정 건강 상태와 관련될 때 분자의 농도가 증가하거나 감소합니다."라고 Liang은 말했습니다. "머신 러닝은 이 정보를 분석하고, 패턴을 식별하고, 진단을 예측하는 데 사용할 수 있는 기준을 개발합니다."

SARS-CoV-2 가 전국적으로 확산되고 기존 테스트의 긴 응답 시간에 대한 불만이 커지면서 사람들에게 시스템을 테스트할 때가 되었습니다. 물리학자로서 Ye는 인간을 대상으로 작업한 적이 없었기 때문에 캠퍼스 COVID 테스트 프로그램을 이끌고 있는 생물의학 연구를 위한 학제간 허브인 CU의 BioFrontiers Institute에 도움을 요청했습니다.

국립과학재단(National Science Foundation)과 국립보건원(National Institutes of Health)이 연구 자금을 지원했습니다.

비 침습적, 빠르고, 화학 물질 없음

연구팀은 2021년 5월부터 2022년 1월 사이에 이전 48시간 동안 타액 또는 비강 샘플을 제출하여 중합효소 연쇄 반응(PCR) 테스트를 받은 170명의 CU 볼더 학생들로부터 호흡 샘플을 수집했습니다.

절반은 양성, 절반은 음성이었다. (안전상의 이유로 자원 봉사 참가자는 캠퍼스 야외 주차장에 와서 샘플 수집 가방을 불고 안전한 거리에서 기다리는 실험실 기술자에게 맡겼습니다.)

전반적으로 프로세스는 수집에서 결과까지 1시간도 채 걸리지 않았습니다.

골드 스탠다드 COVID 테스트인 PCR과 비교할 때 음주 측정기 결과는 시간의 85%와 일치했습니다. 의료 진단의 경우 80% 이상의 정확도가 "우수"로 간주됩니다.

연구원들은 호흡과 타액/비강 면봉 샘플을 동시에 수집했다면 정확도가 더 높았을 것이라고 의심합니다.

비강 면봉과 달리 음주 측정기는 비침습적입니다. 그리고 타액 샘플과 달리 사용자는 그것을 사용하기 전에 먹거나 마시거나 흡연을 자제하라는 요청을 받지 않습니다. 샘플을 분해하는 데 값비싼 화학 물질이 필요하지 않습니다. 그리고 새로운 테스트는 의식이 없는 개인에게 사용될 수 있습니다.

그러나 아직 배워야 할 것이 많다고 Ye는 말했다.

“한 번의 호흡으로 우리는 당신으로부터 많은 데이터 포인트를 수집할 수 있습니다. 우리는 몇 가지 분자가 특정 조건과 어떻게 연관되는지 이해하고 있습니다.”라고 Ye는 말했습니다.

더 작은 음주측정기 만들기

오늘날 "음주 측정기"는 연회 테이블 크기의 레이저와 거울의 복잡한 배열로 구성됩니다.

레이저가 수천 개의 서로 다른 주파수에서 눈에 보이지 않는 중적외선을 발사할 때 호흡 샘플이 튜브를 통해 파이프로 전달됩니다. 수십 개의 작은 거울이 분자를 통해 빛을 앞뒤로 여러 번 반사시켜 결국 빛은 약 1.5마일을 이동합니다.

각 종류의 분자는 빛을 다르게 흡수하기 때문에 분자 구성이 다른 호흡 샘플은 뚜렷한 그림자를 드리웁니다. 기계는 서로 다른 그림자 또는 흡수 패턴을 구별하여 수백만 개의 데이터 포인트(COVID의 경우)를 단 몇 초 만에 단순한 양수 또는 음수로 끓일 수 있습니다.

그러한 시스템을 칩 스케일로 소형화하려는 노력이 이미 진행 중이며, Liang은 "이동 중에 실시간 자가 건강 모니터링"을 상상할 수 있습니다. 잠재력은 거기서 끝나지 않습니다.

“증상이 나타나기 전에 췌장암을 감지할 수 있는 신호를 호흡에서 찾을 수 있다면 어떨까요? 그것이 홈런이 될 것입니다.

다른 곳에서는 과학자들이 인간 호흡의 각 분자를 매핑하고 이를 건강 결과와 연관시키는 인간 호흡 지도를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. Liang은 더 큰 규모의 호흡 샘플 수집을 통해 이러한 노력에 기여하기를 희망합니다.

한편, 팀은 CU Anschutz Medical Campus의 소아 및 호흡기 전문의와 협력하여 호흡 측정기가 어떻게 질병을 진단할 수 있을 뿐만 아니라 과학자들이 질병을 더 잘 이해할 수 있게 하여 면역 반응, 영양 결핍 및 질병을 유발할 수 있는 기타 요인에 대한 힌트를 제공하는지 탐색하고 있습니다. 질병에 기여하거나 악화시킵니다.

"개에 대해 생각해보면, 그들은 놀라운 민감도로 다양한 냄새를 맡도록 수천 년에 걸쳐 진화했습니다."라고 Ye는 말했습니다. “우리는 레이저 기반 코 훈련의 시작 단계에 불과합니다. 더 많이 가르칠수록 더 똑똑해질 것입니다.”

참조: Qizhong Liang, Ya-Chu Chan, Jutta Toscano, Kristen K Bjorkman, Leslie A Leinwand, Roy Parker, Eva S Nozik, David J Nesbitt의 "초고감도 광대역 레이저 분광법에 의한 호흡 분석으로 SARS-CoV-2 감염 감지" 및 Jun Ye, 2023년 4월 5일, Journal of Breath Research .
DOI: 10.1088/1752-7163/acc6e4

이 연구는 국립 보건원과 국립 과학 재단의 자금 지원을 받았습니다.