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?
Máy đo nồng độ cồn trong khí thở hoạt động như thế nào để đo nồng độ cồn trong máu, nhiều giờ sau khi một người uống rượu, mà chỉ dựa vào hơi thở của người đó?
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.
Hơi thở ra chứa hàm lượng của hàng trăm, thậm chí hàng ngàn hợp chất dễ bay hơi hữu cơ: những phân tử nhỏ và nhẹ đủ để lơ lửng như chất khí. Một trong số đó là ethanol, chất chúng ta dùng trong đồ uống có cồn. Nó đi xuyên qua dòng máu đến những túi khí nhỏ trong phổi, và tồn tại trong hơi thở ra với nồng độ trung bình thấp hơn 2,000 lần so với trong máu.
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.
Khi một người thổi vào cồn kế, ethanol trong hơi thở của họ đi vào khoang phản ứng. Ở đó, nó được chuyển thành phân tử khác, gọi là acetic acid, trong một lò phản ứng đặc biệt có khả năng tạo ra dòng điện suốt phản ứng. Độ mạnh của dòng điện chỉ ra lượng ethanol trong mẫu khí, và từ đó suy ra nồng độ trong máu.
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?
Ngoài những chất hữu cơ dễ bay hơi như ethanol mà chúng ta dùng trong đồ ăn và thức uống, những phản ứng sinh hóa của cơ thể người cũng sản sinh nhiều chất như vậy. Và khi có điều gì đó làm gián đoạn những phản ứng này, bệnh tật chẳng hạn, lượng chất hữu cơ dễ bay hơi tích tụ trong hơi thở cũng sẽ thay đổi. Vậy liệu chúng ta có thể phát hiện bệnh bằng cách phân tích hơi thở bệnh nhân, mà không cần tới những phương pháp chẩn đoán xâm lấn khác như sinh thiết, lấy máu và phóng xạ không?
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.
Theo lý thuyết là có, nhưng xét nghiệm bệnh phức tạp hơn nhiều so với thử nồng độ cồn. Để phát hiện bệnh, những nhà nghiên cứu phải xem một bộ mười chất trong hơi thở. Một bệnh nào đó có thể làm nồng độ vài chất trong số đó tăng hoặc giảm, trong khi những chất khác không thay đổi. Kết quả mô tả có thể sẽ khác nhau trong mỗi bệnh, hoặc thậm chí khác nhau trong từng giai đoạn của một bệnh.
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.
Ví dụ, ung thư là bệnh được nghiên cứu nhiều nhất trong việc chẩn đoán bằng phân tích hơi thở. Một trong những thay đổi sinh hóa mà các khối u gây ra là làm tăng một lượng lớn các phản ứng tạo năng lượng gọi là đường phân. Được biết tới như hiệu ứng Warburg, sự tăng các phản ứng đường phân làm tăng các chất chuyển hóa như lactate sau đó sẽ ảnh hưởng đến cả một chuỗi những quá trình chuyển hóa khác và cuối cùng dẫn đến thay đổi thành phần khí thở ra, có thể bao gồm cả tăng nồng độ các chất dễ bay hơi ví dụ như dimethyl sulfide. Nhưng hiệu ứng Warburg chỉ là một dấu hiệu tiềm năng của ung thư, chứ không thể tiết lộ gì thêm về loại ung thư cụ thể. Phải cần rất nhiều các dấu hiệu khác để đưa ra chẩn đoán.
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.
Để tìm những khác biệt nhỏ ấy, các nhà nghiên cứu so sánh hơi thở của người bình thường với người bị một bệnh nhất định bằng việc sử dụng những mô tả dựa trên hàng trăm mẫu hơi thở. Phân tích phức tạp này cần một loại cảm biến khác biệt, và đa năng hơn máy đo nồng độ cồn trong khí thở. Một số loại cảm biến đã được phát triển. Một vài trong số đó phân biệt các chất riêng biệt bằng việc quan sát cách chúng di chuyển qua một bộ điện trường. Số khác sử dụng một dãy điện trở làm từ những vật liệu khác nhau mà mỗi loại thay đổi giá trị điện trở khi tiếp xúc với một hỗn hợp nhất định của các chất hữu cơ dễ bay hơi.
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.
Nhưng vẫn còn những thách thức khác. Những chất này xuất hiện với nồng độ rất thấp, thường chỉ vài phần tỷ, thấp hơn nhiều so với ethanol trong hơi thở. Nồng độ của các chất có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác ngoài bệnh, bao gồm tuổi tác, giới tính, dinh dưỡng và lối sống. Cuối cùng, vấn đề là phân biệt chất nào trong mẫu hơi là được sản sinh từ cơ thể bệnh nhân và chất nào là do hít vào từ môi trường bên ngoài ngay trước khi làm thử nghiệm. Vì những thách thức này mà phân tích hơi thở vẫn chưa hoàn chỉnh.
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.
Nhưng những thử nghiệm lâm sàng sơ bộ trên ung thư phổi, đại tràng, và các cơ quan khác đã cho những kết quả đáng khích lệ. Ngày nào đó, phát hiện ung thư sớm sẽ dễ dàng như hít vào và thở ra.