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?
Каким образом c помощью алкотестера можно определить содержание алкоголя в крови по выдыхаемому воздуху спустя несколько часов после употребления спиртного?
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.
Выдыхаемые пары воздуха содержат сотни и даже тысячи летучих органических соединений — микроскопических молекул, вес которых настолько мал, что они способны переноситься по воздуху, как газы. Одной из таких молекул является этанол, содержащийся в алкогольных напитках. Через кровоток этанол попадает в крошечные альвеолярные мешочки лёгких, а оттуда — в выдыхаемый воздух. При этом концентрация этанола в воздухе оказывается в среднем в 2 000 раз меньше, чем в крови.
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.
Когда человек делает выдох в алкотестер, этанол с выдыхаемыми парами попадает в реакционную камеру. Там он образует молекулу уксусной кислоты; при этом происходит реакция, во время которой вырабатывается электрический ток. Величина силы тока указывает на содержание этанола в пробе воздуха и, соответственно, в крови.
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?
Помимо летучих органических соединений, таких как этанол, который содержится в продуктах питания и напитках, в результате биохимических процессов в наших клетках образуются и другие соединения. И когда эти процессы нарушаются из-за болезни или по другой причине, может измениться и состав летучих органических соединений. Означает ли это, что мы можем выявить заболевание, проанализировав выдыхаемые пары воздуха и не прибегая к инвазивным диагностическим методам, таким как биопсия, забор крови и лучевая диагностика?
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.
Теоретически — да, однако диагностирование заболевания — процедура гораздо более сложная, нежели определение алкоголя в крови. Чтобы выявить заболевание на основе выдыхаемого воздуха, необходимо провести анализ десятков органических соединений. Если человек болен, концентрация одних соединений может увеличиться или уменьшиться, а других — остаться неизменной. Показатели, скорее всего, будут зависеть от каждого конкретного заболевания или даже стадии одного заболевания.
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.
К примеру, онкологические заболевания являются наиболее исследованными и прекрасно подходят для диагностирования по выдыхаемому воздуху. Одним из биохимических изменений, вызываемых многими видами опухолей, является ускорение процесса гликолиза, сопровождающегося усиленным выделением энергии. Явление, известное как эффект Варбурга, характеризуется ускорением гликолиза и приводит к увеличению выработки таких метаболитов, как лактат, что в свою очередь оказывает влияние на целый ряд метаболических процессов и в конечном итоге вызывает изменение состава выдыхаемого воздуха, включая, вероятно, повышенную концентрацию летучих соединений, таких как диметилсульфид. Однако эффект Варбурга — это лишь один из возможных показателей онкологического заболевания, который не несёт в себе никакой информации о типе рака. Поэтому, чтобы поставить точный диагноз,
To find these subtle differences,
необходимо изучить множество других показателей.
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.
Чтобы найти едва различимые отличия, исследователи проводят сравнительный анализ состава выдыхаемого воздуха здоровых людей и людей, страдающих определёнными заболеваниями, используя клинические характеристики сотен проб выдыхаемого воздуха. Проведение такого развёрнутого анализа требует совершенно иного, более универсального типа датчика, отличного от алкотестера. Сегодня разрабатывается несколько таких приборов. Одни датчики фиксируют различия между отдельными соединениями, отслеживая, как те передвигаются по электрическим полям. В основе других будут использоваться резисторы, сделанные из различных материалов, сопротивление которых будет меняться в зависимости от состава смеси
There are other challenges too.
летучих органических соединений.
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.
Однако и здесь возникают сложности. Концентрация летучих органических соединений бывает невероятно мала — как правило, их содержится единицы на миллиард, что намного меньше, чем концентрация этанола в парах выдыхаемого воздуха. Более того, содержание смеси летучих соединений определяется и другими факторами, такими как возраст, пол, питание и образ жизни, а не только наличием заболевания. И, наконец, возникает вопрос, каким образом отделить соединения, образованные в организме человека, от тех, которые попали в лёгкие извне незадолго до проведения анализа? А пока эти вопросы остаются нерешёнными,
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.
учёные не готовы ставить диагнозы на основе паров воздуха. В то же время первые клинические испытания по диагностированию рака лёгких, кишечника и других видов рака демонстрируют обнадёживающие результаты.