革命性的疾病检测:呼气分析仪嗅出COVID-19

　　基于量子激光的技术在利用呼出气体诊断疾病方面取得了重大进展。JILA和科罗拉多大学博尔德分校物理系的博士生Qizhong Liang在JILA的Ye实验室演示了基于激光的呼吸分析仪是如何工作的。最终，该系统可以小型化，用于“随时随地的健康监测”。

　　

每次我们呼气时，我们都会释放出1000多种独特的分子，这些分子会产生一种特定的“呼吸指纹”，这种化学特征可以为我们了解身体的内部状况提供有价值的信息。

多年来，研究人员一直试图挖掘这些丰富的信息，利用狗、老鼠甚至蜜蜂敏锐的嗅觉来检测癌症、糖尿病和肺结核等疾病。       

来自科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家们在利用呼出的气体诊断疾病方面取得了重要的飞跃，他们报告说，一种由人工智能(AI)驱动的新型激光呼吸测试仪可以以极高的准确性实时检测COVID-19。

研究结果最近发表在《Journal of Breath Research》上。

“我们的研究结果证明了呼吸分析作为COVID-19的一种替代、快速、非侵入性测试的前景，并突出了其在诊断多种疾病和疾病状态方面的巨大潜力，”第一作者、JILA和科罗拉多大学博尔德分校物理系的博士生Qizhong Liang说。JILA是科罗拉多大学博尔德分校和NIST的合作项目。 

这个由物理学家、生化学家和生物学家组成的多学科团队现在正将其重点转移到广泛的其他疾病上，希望“频率梳状呼吸分析仪”——诞生于诺贝尔奖得主科罗拉多大学的技术——能够彻底改变医学诊断。

该研究的资深作者、JILA研究员、科罗拉多大学博尔德分校的物理学副教授Jun Ye说:“在一个真实的、可预见的未来，你可以去看医生，测量你的呼吸以及你的身高和体重……或者你可以对着集成在手机上的吹嘴吹气，实时获取你的健康信息。潜力是无限的。”

新冠肺炎带来的合作

早在2008年，Ye的实验室就报告了一种叫做频率梳状光谱的技术——本质上是用激光来区分一种分子和另一种分子——有可能识别出人类呼吸中疾病的生物标志物。

这项技术缺乏灵敏度，更重要的是，缺乏将特定分子与疾病状态联系起来的能力，因此他们从未将其用于诊断疾病。

但Ye的团队已经将灵敏度提高了一千倍，能够检测到万亿分之一的微量分子。他们还利用了人工智能的力量。

Liang说:“分子浓度的增加或减少与特定的健康状况有关。机器学习分析这些信息，识别模式，并制定我们可以用来预测诊断的标准。”

随着SARS-CoV-2在全国范围内肆虐，以及对现有测试的反应时间过长感到越来越沮丧，现在是时候在人身上测试该系统了。作为一名物理学家，Ye从未与人类受试者进行过合作，因此他向科罗拉多大学生物前沿研究所(bifrontierinstitute)寻求帮助，该研究所是一个跨学科的生物医学研究中心，负责领导校园COVID测试项目。   

无创、快速、无化学物质

在2021年5月至2022年1月期间，研究小组收集了170名科罗拉多大学博尔德分校学生的呼吸样本，这些学生在过去48小时内通过提交唾液或鼻腔样本进行了聚合酶链反应(PCR)测试。

一半的检测结果呈阳性，一半呈阴性。(出于安全考虑，志愿者们来到一个户外校园停车场，吹进一个样本收集袋，然后把它留给在安全距离外等待的实验室技术人员。)

总的来说，这个过程从收集到结果只用了不到一个小时。

与金标准冠状病毒检测PCR相比，酒精检测结果的匹配率为85%。对于医学诊断，准确率达到80%或更高被认为是“优秀”。        

研究人员怀疑，如果同时收集呼吸和唾液/鼻拭子样本，准确率可能会更高。

与鼻拭子不同，这种酒精测试仪是非侵入性的。与唾液样本不同的是，使用者在使用前不会被要求不吃、不喝、不吸烟。它不需要昂贵的化学物质来分解样品。可以想象，新的测试可以用于没有意识的人。

“我们一口气就能从你身上收集到很多数据点，但接下来呢?我们只了解少数分子如何与特定条件相关联。”

制造一个更小的酒精测试仪

如今，“酒精测试仪”由一组复杂的激光器和一张宴会桌大小的镜子组成。

呼吸样本通过一根管子输入，激光以数千种不同的频率向其发射不可见的中红外光。几十个小镜子将光在分子中来回反射很多次，最后，光传播了大约1.5英里。

因为每种分子吸收光线的方式不同，所以不同分子组成的呼吸样本会投射出不同的阴影。这台机器可以区分这些不同的阴影或吸收模式，在几秒钟内将数百万个数据点归结为简单的阳性或阴性——就Covid而言。

人们已经在努力将这种系统小型化到芯片规模，从而实现Liang所设想的“实时、自我健康监测”。潜力还不止于此。       

“如果你能在呼吸中找到一种特征，在你出现症状之前就能发现胰腺癌，这将是本垒打，”分子生物学家和合著者Leslie Leinwand说，他是生物前沿的首席科学官，也是这项研究的合著者。

在其他地方，科学家们正在努力开发人类呼吸图谱，绘制出人类呼出气体中的每种分子，并将它们与健康结果联系起来。Liang希望通过更大规模的呼吸样本收集来为这一努力做出贡献。

与此同时，该团队正在与科罗拉多大学安舒茨医学院的儿科和呼吸系统专家合作，探索呼气测醉器如何不仅能诊断疾病，还能让科学家更好地了解疾病，提供有关免疫反应、营养缺乏和其他可能导致或加剧疾病的因素的提示。

Ye说:“如果你想想狗，它们经过数千年的进化，能够以惊人的灵敏度闻到许多不同的东西。我们刚刚开始训练激光鼻子。我们教得越多，它就会越聪明。”

参考文献:

Breath analysis by ultra-sensitive broadband laser spectroscopy detects SARS-CoV-2 infection