كيف يمكن لجهاز قياس الكحول أن يحدّد نسبة الكحول في دم أحدهم، بعد ساعات من تناول الشراب، اعتماداً على النَّفَس وحده؟
How is it that a breathalyzer can measure the alcohol content in someone’s blood, hours after they had their last drink, based on their breath alone?
زفرة التنفُّس تحتوي على كميات ضيئلة من مئات، أو آلاف، المركبات العضوية المتطايرة: جزيئات صغيرة وخفيفة الوزن بشكل كافٍ لتنتقل بسهولة كغازات. واحدة منها هو: الإيثانول، وهو ما يُستَهلك في المشروبات الكحولية. ينتقل عبر مجرى الدم إلى الحويصلات الهوائية الصغيرة في الرئتين، ويمرُّ في هواء الزفير بتركيز أقل بـ 2000 مرة، في المتوسط ممّا هو في الدم.
Exhaled breath contains trace amounts of hundreds, even thousands, of volatile organic compounds: small molecules lightweight enough to travel easily as gases. One of these is ethanol, which we consume in alcoholic drinks. It travels through the bloodstream to tiny air sacs in the lungs, passing into exhaled air at a concentration 2,000 times lower, on average, than in the blood.
عندما يتنفس أحدٌ في جهاز قياس الكحول، يمر الإيثانول إلى تجويف التفاعل. هناك يتم تحويله إلى عنصر آخر، يُسمّى: حمض الخليك، في نوع خاص من المفاعل يتم إنتاج تيار كهربائي أثناء عملية التفاعل. قوة التيار تبين كمية الإيثانول في عينة الهواء، ومن خلال امتداده في الدم.
When someone breathes into a breathalyzer, the ethanol in their breath passes into a reaction chamber. There, it’s converted to another molecule, called acetic acid, in a special type of reactor that produces an electric current during the reaction. The strength of the current indicates the amount of ethanol in the sample of air, and by extension in the blood.
بالإضافة إلى المركبات العضوية المتطايرة مثل: الإيثانول التي نستهلكها في الطعام والشراب، العمليات الكيمائية في خلايانا تنتج العديد من العناصر الأخرى. وعندما يعطِّل شيء ما تلك العلمية، مثل: المرض، فإن مجموعة المركبات العضوية المتطايرة في التنفس قد تتغير أيضاً. لذا، هل يمكننا اكتشاف المرض من خلال تحليل نَفَس الشخص، دون استخدام المزيد من أدوات التشخيص المُجتاحة مثل: الخزعات وسحب الدم والأشعة؟
In addition to the volatile organic compounds like ethanol we consume in food and drink, the biochemical processes of our cells produce many others. And when something disrupts those processes, like a disease, the collection of volatile organic compounds in the breath may change, too. So could we detect disease by analyzing a person’s breath, without using more invasive diagnostic tools like biopsies, blood draws, and radiation?
نظرياً، نعم، لكن اختبار المرض أكثر تعقيداً بكثير من اختبار الكحول. للتعرف على الأمراض، يحتاج الباحثون للنظر في مجموعة من عشرات المركبات في التنفُّس. قد يسبب مرض معين بعض هذه المركبات بزيادة أو نقصان كثافتها، بينما قد لا تتغير بعضها من المحتمل أن يختلف مظهر كل مرض، وقد يختلف أيضاً في مراحل مختلفة من المرض نفسه.
In theory, yes, but testing for disease is a lot more complicated than testing for alcohol. To identify diseases, researchers need to look at a set of tens of compounds in the breath. A given disease may cause some of these compounds to increase or decrease in concentration, while others may not change— the profile is likely to be different for every disease, and could even vary for different stages of the same disease.
على سبيل المثال: أمراض السرطان من أكثر المرشحين بحثاً للتشخيص من خلال تحليل التنفُّس. أحد التغييرات الكيميائية تسبب العديد من الأورام والتي هي عبارة عن زيادة كبيرة في توليد الطاقة تُسمّى: التحلُّل. المعروف باسم: تأثير واربرغ، هذه الزيادة في التحلل تؤدي إلى الزيادة في الأيضات مثل: اللاكتات والتي بدورها يمكن أن تؤثر على سلسلة كاملة من عمليات التمثيل الغذائي وتؤدي في النهاية إلى تغيير تركيب التنفُّس، ربما بما في ذلك زيادة تركيز المركبات المتطايرة مثل ثنائي ميثيل الكبريت. لكن تأثير واربراغ ليس إلا مؤشراً محتملاً لنشاط سرطاني، ولا يكشف شيئاً عن نوع معين من السرطان. ثمّة حاجة للمزيد من المؤشرات لإجراء التشخيص.
For example, cancers are among the most researched candidates for diagnosis through breath analysis. One of the biochemical changes many tumors cause is a large increase in an energy-generating process called glycolysis. Known as the Warburg Effect, this increase in glycolysis results in an increase of metabolites like lactate which in turn can affect a whole cascade of metabolic processes and ultimately result in altered breath composition, possibly including an increased concentration of volatile compounds such as dimethyl sulfide. But the Warburg Effect is just one potential indicator of cancerous activity, and doesn’t reveal anything about the particular type of cancer. Many more indicators are needed to make a diagnosis.
للحصول على هذه الاختلافات الدقيقة، يقارن الباحثون بين أنفاس الأصحّاء وأنفاس الذين يعانون من مرض معين مستخدمين ملفات التعريف اعتماداً على مئات من عينات التنفّس. هذا التحليل المعقد يتطلب نوعاً مختلفاً جذرياً عن أجهزة استشعار الكشف عن الكحول. هناك عدد قليل يجري تطويرها. بعض التمييز بين المركبات الأحادية من خلال مراقبة كيفية تحرك المركبات خلال مجموعة من الحقول الكهربية. يستخدم آخرون مجموعة من المقاومات المصنوعة من مواد مختلفة يغير كل منها مقاومته عن التعرض إلى مزيج معين من المركبات العضوية المتطايرة.
To find these subtle differences, researchers compare the breath of healthy people with the breath of people who suffer from a particular disease using profiles based on hundreds of breath samples. This complex analysis requires a fundamentally different, more versatile type of sensor from the alcohol breathalyzer. There are a few being developed. Some discriminate between individual compounds by observing how the compounds move through a set of electric fields. Others use an array of resistors made of different materials that each change their resistance when exposed to a certain mix of volatile organic compounds.
هناك تحدّيات أخرى أيضاً. هذه المواد موجودة بتركيزات منخفضة بشكل لا يُصدّق عادةً أجزاء فقط لكل مليار، أقل بكثير من تركيزات الإيثانول في النَّفَس. قد تتأثّر مستويات المركبات بعوامل أخرى غير المرض، بما في ذلك: العمر والجنس والتغذية ونمط الحياة. أخيراً: ثمّة أمرٌ يتعلق بالتمييز بين المركبات في العينة التي تُنتَج في جسم المريض والتي يتم استنشاقها من البيئة المحيطة قبل مدّة قصيرة من الاختبار.
There are other challenges too. These substances are present at incredibly low concentrations— typically just parts per billion, much lower than ethanol concentrations in the breath. Compounds’ levels may be affected by factors other than disease, including age, gender, nutrition, and lifestyle. Finally, there’s the issue of distinguishing which compounds in the sample were produced in the patient’s body and which were inhaled from the environment shortly before the test.
بسبب هذه التحدّيات، تحليل التنفّس ليس جاهزاً بعد. ولكن التجارب السريرة الأولية على الرئة والقولون والسرطانات الأخرى كان لها نتائج مشجعة. يوماً ما، قد يكون تشخيص السرطان مبكراً أمراً سهلاً بنفس سهولة تنفّس الهواء.
Because of these challenges, breath analysis isn’t quite ready yet. But preliminary clinical trials on lung, colon, and other cancers have had encouraging results. One day, catching cancer early might be as easy as breathing in and out.