Выдохнуть с пользой: в МГТУ им. Баумана разработан анализатор биологического паспорта

Известно, что лучше предупредить болезнь, чем ее лечить. В Московском государственном техническом университете (МГТУ) им. Баумана разработали неинвазивный анализатор метаболического профиля. Исследуемый просто выдыхает в пакет — ​остальное делает аппарат.

У каждого человека есть своеобразный биологический паспорт — ​метаболический профиль. Совокупность молекулярных маркеров, то есть показателей обмена веществ в организме, позволяет установить картину общего состояния здоровья и функционирования отдельных органов и систем. Ученые предложили методику анализа профиля по выдыхаемому воздуху.

«Помимо кислорода и углекислого газа, он содержит сотни специфических молекулярных соединений — метаболитов, которые могут рассказать о состоянии организма в целом, например эфиры короткоцепочечных жирных кислот», — ​поясняет руководитель стратегического проекта «Фотоника» программы «Приоритет‑2030» МГТУ Владимир Лазарев.

У здорового человека концентрация этих соединений колеблется в пределах одного значения (нормы) на протяжении многих лет.

«Еще до клинических проявлений заболевания выделение некоторых веществ понемногу растет. Для каждой болезни изменения уникальны. Если предварительно определить норму, то есть составить цифровой метаболический профиль, то с помощью этой методики можно фиксировать отклонения и предупреждать развитие конкретных заболеваний», — ​рассказывает профессор кафедры биомедицинской безопасности МГТУ, завотделом мочекаменной болезни НИИ урологии и интервенционной радиологии Национального медицинского исследовательского центра радиологии Минздрава Михаил Просянников.

Для сравнения необходима библиотека специфических метаболитов.

«Первую пробу мы берем, когда у человека нет жалоб. Дальше с определенной периодичностью, например при диспансеризации, он сдает новую «порцию» воздуха. Сопоставляя показатели, мы оцениваем изменение состояния здоровья», — ​продолжает Владимир Лазарев.

Заболевания можно выявить и без начальной, «здоровой», пробы, но она значительно повысит точность диагностики. Например, есть данные, что большая концентрация ацетона в выдыхаемом воздухе может быть сигналом диабета, рака желудка или легких. Пропилпропионат (эфир короткоцепочечных жирных кислот) с высокой долей вероятности сигнализирует об онкологии мочеполовой системы, скачок стирола и гексадекана — ​об опухоли в яичниках.

«Наша задача не в том, чтобы человек подышал в пакет и мгновенно получил информацию о типе и стадии заболевания, — ​подчеркивает Владимир Лазарев. — ​Наш метод скорее дешевая и быстрая подсказка, на что стоит обратить внимание, может, провести комплексные исследования, например лучевую диагностику».

Диагностика и предупреждение заболеваний — ​не единственная область применения разработки. Например, она поможет врачам точнее определить дозировку препаратов, снизив тем самым вероятность развития побочных эффектов.

Как реализуется метод, рассказывает научный сотрудник кафедры физики МГТУ, руководитель команды разработчиков анализатора Игорь Фуфурин. В пункте сбора анализов человек выдыхает воздух в пакет из политетрафторэтилена (нетоксичного материала, не взаимодействующего с химическими элементами), образец отвозят в лабораторию. Там из воздуха удаляют водяные пары, чтобы они не мешали оптической спектроскопии. Собственно анализ занимает минут десять. Содержимое пакета помещают в газовую ячейку оптического спектрометра. Через ячейку пропускают излучение широкого спектра и регистрируют прошедший через нее свет (спектроскопия поглощения). В спектрограмме каждая молекула оставляет уникальный отпечаток. Его форма зависит от конкретной молекулы, амплитуда — ​от концентрации.

Для наибольшей точности анализа один из членов группы, старший научный сотрудник Института квантовой оптики Общества Макса Планка Александр Аполонский, предложил использовать метод матрешки. Дело в том, что молекулы, а их сотни, могут иметь схожие спектральные области поглощения, и подчас довольно трудно понять, где чей след. Слой за слоем убирая (физически или численно) молекулярные отпечатки, можно в пределе увидеть молекулы с наименьшей концентрацией и наименьшим поглощением. Почему это важно? Часто специфические для какого-либо заболевания метаболиты имеют очень низкую концентрацию.

«Концентрационная чувствительность нашего метода — ​порядка 20 мкг на 1 м3. Наш опыт показывает, что этого достаточно для уверенного определения метаболического профиля человека. По крайней мере, на десятилетие вперед, пока метод входит в медицинскую практику», — ​комментирует Александр Аполонский.

Ученые провели ряд экспериментов на малых группах пациентов и выявили отдельные ассоциации концентрации метаболитов с такими заболеваниями, как рак предстательной железы и мочевого пузыря, церебральный паралич, сахарный диабет, астма и др. Результаты опубликованы в научных журналах.

Следующий этап — ​масштабные исследования для формирования метаболического профиля человека.

«Наш горизонт планирования — ​три — ​пять лет, мы мечтаем создать прибор и методику, которая найдет максимально широкое применение и поможет предупредить развитие социально значимых заболеваний», — ​заключает Владимир Лазарев.