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?
Jak to się dzieje, że nawet długo po ostatnim drinku można zmierzyć poziom alkoholu we krwi tylko na podstawie badania wydychanego powietrza?
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.
W wydychanym powietrzu zawarte są śladowe ilości setek, a nawet tysięcy lotnych związków organicznych, małych cząsteczek dość lekkich, żeby przemieszczać się jako gazy. Jedna z nich to etanol spożywany w napojach alkoholowych. Jest on transportowany przez krwioobieg do małych pęcherzyków płucnych, gdzie dostaje się do wydychanego powietrza w stężeniu około 2 tysięcy razy niższym niż we krwi.
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.
Kiedy wydycha się powietrze do alkomatu, obecny w nim etanol jest przenoszony do komory reakcyjnej. Tam przekształcany jest w inną cząsteczkę zwaną kwasem octowym. Podczas tego procesu specjalny reaktor wytwarza prąd elektryczny. Siła prądu wskazuje ilość etanolu w próbce powietrza, a tym samym we krwi.
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?
Lotne związki organiczne pochodzą nie tylko z substancji, które spożywamy wraz z jedzeniem i piciem, tak jak etanol. Wytwarzają ją też biochemiczne procesy, zachodzące w komórkach. Kiedy ten proces zostanie zaburzony na przykład przez chorobę, skład wolnych związków organicznych w wydychanym powietrzu również może ulec zmianie. Czy jest więc możliwe wykrycie choroby tylko dzięki analizie oddechu bez użycia bardziej inwazyjnych narzędzi diagnostycznych, jak biopsja, badanie krwi i tomografia?
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.
Teoretycznie tak. Jednak diagnostyka chorób jest bardziej skomplikowana niż badanie poziomu alkoholu we krwi. Żeby zidentyfikować choroby, badacze muszą przyjrzeć się dziesiątkom związków zawartych w oddechu. Dana choroba może spowodować, wzrost albo spadek części z nich, pozostawiając inne bez zmian. Profil prawdopodobnie będzie inny dla każdej z chorób, a nawet odmienny w zależności od stopnia jej zaawansowania.
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.
Przykładowo nowotwory są jednym z najlepiej przebadanych kandydatów do diagnozy dzięki analizie oddechu. Jedną z biochemicznych zmian, jaką powoduje wiele guzów, jest wzrost aktywności procesu generującego energię zwanego glikolizą. Wysoka aktywność glikolizy, nazywana efektem Warburga, powoduje wzrost ilości metabolitów, takich jak mleczan, który może mieć wpływ na całą lawinę procesów metabolicznych. Doprowadza to do zmian w składzie wydychanego powietrza, włączając w to zwiększoną zawartość lotnych związków, jak siarczek dimetylu. Jednak efekt Warburga to tylko jeden z potencjalnych wskaźników rakotwórczych procesów i nie mówi nic o rodzaju nowotworu. Żeby postawić diagnozę, potrzeba wielu badań.
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.
Żeby znaleźć te subtelne różnice, naukowcy porównują oddech zdrowych ludzi z oddechem ludzi cierpiących na daną chorobę, wykorzystując setki próbek wydychanego powietrza. Do tak skomplikowanej analizy potrzeba czujnika bardziej wszechstronnego niż ten w alkomacie. W opracowaniu jest kilka takich urządzeń. Niektóre z nich rozróżniają pojedyncze związki, badając ruch substancji przez zbiór pól elektrycznych. Inne wykorzystują układ rezystorów wykonanych z różnych materiałów, które zmieniają opór po wystawieniu na daną mieszankę lotnych związków organicznych.
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.
Pojawiają się też inne wyzwania. Te związki są obecne w oddechu w niewiarygodnie niskiej koncentracji, zaledwie jednej na miliard, czyli dużo mniejszej niż wykrywalna ilość etanolu. Na ilość tych związków mogą mieć wpływ czynniki inne niż choroba, jak wiek, płeć, dieta i tryb życia. Pojawia się też problem z odróżnieniem, które z pobranych związków powstały w ciele pacjenta, a które zostały wchłonięte wraz z powietrzem tuż przed przeprowadzeniem badania.
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.
Z tego powodu analiza oddechu nie jest w pełni gotowa. Jednak wstępne testy kliniczne na raku płuc, odbytu i innych dają przekonujące rezultaty. Pewnego dnia wczesne wychwycenie nowotworu