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?
چگونه است که یک نفس سنج میتواند میزان الکل خون فردی را، ساعتها پس از مصرف آخرین گیلاسش، تنها بر پایه تنفس تعیین کند؟
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.
نفسی که بیرون میدهیم میتواند شاملِ مقدار کمی از صدها، شاید هم هزاران، ترکیبات آلی فرار باشد: مولکولهای کوچکی که آنقدر سبک باشند تا بتوانند مانند گازها حرکت کنند. یکی از آنها ِاتانول است، که در مشروبات الکلی مصرف میشود. که از طریق جریان خون تا گویچههای کوچک هوای داخل ششها حرکت میکند، و با میزان ۲,۰۰۰ برابر تمرکز کمتر در هوای بازدم، بهطور متوسط، نسبت به جریان خون.
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.
وقتی کسی در یک نفس سنج میدمد، اِتانول موجود در بازدم از یک محفظه واکنشی عبور میکند. آنجا، به مولکولی دیگر تبدیل میشود، که نامش استیک اسید است، این در یک راکتور خاص که در طول واکنش جریان الکتریکی ایجاد میکند، انجام میشود. میزان جریان، نشاندهنده مقدار اِتانول در نمونه هوا، و به همین صورت در خون است.
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?
علاوه بر ترکیبات فرار آلی مانند اِتانول ما غذا و نوشیدنی هم مصرف میکنیم، فرایند بیوشیمیایی سلولهای ما خیلیهای دیگر را هم تولید میکند. و وقتی چیزی این فرآیندها را مختل میکند، مثل بیماری، مجموعه ترکیبات آلی فرار در تنفس هم ممکن است تغییر کنند. پس آیا ممکن است بتوانیم بیماریها را با تحلیل تنفس شخص تشخیص دهیم، بدون نیاز به استفاده از ابزارهای تشخیصی تهاجمی مانند نمونهبرداری، خونگیری، و عکسبرداری با اشعه؟
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.
از دید نظری، بله، اما آزمایش برای بیماری، از آزمایش الکل خیلی پیچیدهتر است. برای تشخیص بیماری، محققین باید به مجموعهای از دهها ترکیب در تنفس توجه کنند. هر بیماری ممکن است در برخی از این ترکیبات افزایش یا کاهش تراکم ایجاد کند، و بقیه ممکن است تغییری نکنند — مشخصات آن احتمالاً برای هر بیماری متفاوت است، و حتی میتواند در مراحل مختلفِ همان بیماری هم متفاوت باشد.
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.
برای مثال، سرطانها جزوِ انتخابهایی هستند که بیشترین تحقیقات در تشخیص، توسط نفس سنج رویشان انجامشده. یکی از تغییرات زیستشیمیایی که غدهها ایجاد میکنند افزایشی زیاد در فرآیند تولید انرژی است که گلیکولیز نامیده میشود. و به نام «اثر واربورگ» شناخته میشود، این افزایش در گلیکولیز منجر به افزایش متابولیتهایی مانند لاکتیت میشود که در نتیجه خودش باعث زنجیرهای از فرآیندهای سوختوساز میگردد و نهایتاً باعث تغییر ترکیبات بازدم میشود، احتمالاً شامل افزایش میزان ترکیبات فراری مانند دیمتیل سولفاید. اما اثر واربورگ تنها یکی از نشاندهندههای احتمالی فعالیتهای سرطانی است، و نوع سرطان را مشخص نمیکند. نشانگرهای خیلی بیشتری برای تشخیص لازم است.
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.
برای یافتن این تفاوتهای ناچیز، محققان، تنفس افراد سالم را با تنفس افرادی که بیماری خاصی دارند با استفاده از مشخصاتِ صدها نمونه تنفسی مقایسه میکنند. این تحلیل پیچیده اساساً به انواع دیگری از حسگرها، نسبت به نفس سنج الکل نیاز دارند. که چند نوع از آنها توسعه یافته است. بعضی در بین هر کدام از ترکیبات، با مشاهده حرکتشان در میانِ میدانهای الکتریکی تفاوت قائل میشوند. بقیه، از آرایهای از مقاومتهای ساخته شده توسط مواد مختلف استفاده میکنند که هر کدام میزان مقاومتش در برخورد با میزان متفاوتی از ترکیبات آلی فرار تغییر میکند.
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.
چالشهای دیگری هم وجود دارند. این مواد در مقادیر بسیار کمی موجودند — معمولاً در ابعاد یک در میلیون، خیلی کمتر از میزان اتانول موجود در تنفس. سطوح ترکیبات ممکن است تحت تأثیرِ چیزهای دیگری غیر از بیماری قرار گیرد، مثلاً سن، جنسیت، تغذیه و شیوه زندگی. نهایتاً، این مسئله وجود دارد که تشخیص دهیم کدام ترکیب در نمونه در بدن بیمار تولید شده و اینکه کدام از محیط اطراف تنفس شده در همان زمان آزمایش.
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.
به خاطر این مشکلات، نفس سنج هنوز کاملاً آماده نیست. اما آزمایشهای اولیه کلینیکی در سرطانهای ریه، روده بزرگ، و دیگر سرطانها نتایج مثبتی داشته است. یک روز، تشخیص زودهنگام سرطان شاید بهراحتی فوت کردن باشد.