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?
Cum poate măsura un etilotest conținutul de alcool din sângele cuiva, la câteva ore după ultima băutură, doar pe baza respirației?
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.
Expirația conține urme fine a sute, sau chiar mii, de compuși organici volatili: molecule mici suficient de ușoare ce călătoresc ușor sub formă de gaze. Unul dintre acestea este etanolul, pe care îl consumăm în băuturi alcoolice. Călătorește prin fluxul sanguin la micii saci de aer din plămâni, trecând în aerul expirat cu o concentrație de 2.000 de ori mai mică, în medie, comparativ cu cea din sânge.
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.
Când cineva expiră într-un etilotest etanolul din respirația acestuia trece printr-o cameră de reacție. Acolo este transformat în altă moleculă pe nume acid acetic, într-un tip de reactor special, ce produce un impuls electric în timpul reacției. Intensitatea impulsului electric indică cantitatea de etanol aflată în proba de aer și implicit din sânge.
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?
Pe lângă compușii organici volatili precum etanolul pe care îl consumăm prin mâncare și băuturi, procesele biochimice ale celulor noastre produc mulți alți compuși. Iar atunci când ceva întrerupe aceste procese, cum ar fi o afecțiune, prelevarea compușilor organici volatili din respirație ar putea , de asemenea, să se schimbe. Am putea să detectăm bolile, analizând respirația unei persoane, fără să folosim instrumente de diagnosticare invazive precum biopsia, testele de sânge și radiațiile?
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.
În teorie, da, dar testarea pentru afecțiuni e mult mai complicată decât pentru alcool. Pentru a identifica afecțiunile cercetătorii trebuie să identifice zeci de compuși din respirație. O anumită afecțiune poate cauza ca o parte a acestor compuși să crească sau să scadă în concentrație, iar alții ar putea să rămână la fel — profilul acestora probabil va fi diferit în funcție de afecțiune și ar putea chiar să varieze în diferite etape ale aceleiași afecțiuni.
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.
De exemplu, cancerele sunt printre cele mai cercetate afecțiuni pentru diagnosticare prin analiza respirației. Una din schimbările biochimice cauzată de numeroase tumori este o creștere considerabilă a unui proces care generează energie numit glicoliză. Cunoscut drept efectul Warburg, acestă creștere în glicoliză rezultă într-o creștere a metaboliților ca lactoza care, la rândul lor, afectează o mulțime de alte procese metabolice și duc în cele din urmă la o alterare a compoziție a respirației, incluzând probabil o concentrație ridicată de compuși volatili precum dimetilsulfatul. Dar efectul Warburg e doar un potențial indicator al activității canceroase, și nu dezvăluie nimic despre tipul respectiv de cancer. Mult mai mulți indicatori sunt necesari pentru a face un diagnostic.
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.
Pentru a găsi diferențele subtile, cercetătorii compara respirația oamenilor sănătoși cu respirația oamenilor care suferă de o anumită afecțiune folosind profilurile bazate pe sute de probe de respirație. Această analiză complexă are nevoie de un tip de senzor fundamental diferit față de cel pentru alcool. Câțiva senzori se află acum în dezvoltare. Unii diferențiază compușii individual observând modul în care aceștia traversează anumite câmpuri electrice. Alții folosesc o varietate de rezistori făcuți din materiale diferite care își modifică rezistența când sunt expuși la un anumit amestec de compuși organici volatili.
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.
Mai sunt și alte provocări. Aceste substanțe sunt prezente în concentrații extrem de scăzute, de obicei de doar parți pe miliard, mult mai scăzute ca concentrațiile de etanol din respirație. Compușii pot fi afectați de alți factori decât bolile, inclusiv vârstă, sexul, nutriția, și stilul de viață. În final, există problema recunoașterii care compuși din proba de aer au fost produși în corpul pacientului și care au fost inhalați din atmosferă cu scurtă vreme înainte de test.
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.
Din cauza acestor provocări, analiza respirației nu e destul de pregătită încă. Dar studii clinice preliminare asupra cancerului de plămân, colon și alte tipuri de cancer au avut rezultate încurajatoare. Într-o zi, diagnosticarea din timp