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电子鼻:未来的疾病诊断专家

来源:   发布时间:2021-09-14 15:31:14   浏览:

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      近期,以色列魏茨曼科学研究所的科学家们用3D打印出了一种“电子鼻”配件,使其能够安全地“嗅出”化学物质,从而识别人们是否感染了新型冠状病毒(COVID-19)。该团队的仪器配有一个气体装置、传感器阵列和3D打印采样阀,经过实际测试训练,可以发现患者鼻道内的新冠病毒和其他挥发性有机化合物(VOCs)。
      2050年,你可能每个月定期会做一次体检。但这时,你已不再需要做包括静脉穿刺采血等各种痛苦而烦琐的检查,只要坐着不动,从你口鼻中呼出的,或从你的体内释放出来的挥发性分子会慢慢进入复杂的人工智能仪器,它就是未来的电子鼻“医生”。通过对收集到的人体发出的气体分子进行分析,并将其与庞大的嗅觉数据库进行比较,将气味与导致这些气味产生的各种病症进行对比匹配,生成并打印关于你的健康状况的诊断结果。医生会根据检查结果,制订相应的治疗方案或进行药物调整。这个场景是美国冷泉港研究所实验室研究员阿列克谢•库拉科夫向我们展示的有关未来医疗保健的一个场景。

1.气味真的能够说明一个人的健康状况吗?

      气味能够透露很多信息。最新研究发现,许多疾病,包括癌症、肺结核和帕金森病,都可以通过挥发性化合物改变人的气味。我们的身体会释放代谢产物,其中一些分子是挥发物,成为人体释放的气味的一部分,或被称为“气味指纹”。

       当人生病时,身体的代谢功能会产生变化,会释放出一些与以往不同的挥发性分子,我们的“气味指纹”也会随之发生变化,这些“气味指纹”会携带我们健康状况的信息。例如,帕金森病患者的皮肤皮脂腺会分泌一种蜡状富含油脂的生物液体,敏感的“深鼻”可以从稀薄的空气中检测发现它的存在。电子鼻“嗅闻”诊病可以让医生更早、更容易地发现疾病,甚至可以避免一些侵入性的诊断方式。
       中医使用“望闻问切”的诊病方法,他们的鼻子就是诊断工具之一。带有难闻气味的伤口可能意味着它已被感染,而口臭则是多种疾病的征兆。

       然而,今天的医生们通常不用嗅闻来为患者诊断,这是因为人类的嗅觉能力在退化,远不如我们灵长类的祖先。

       如今,我们只保留了350种还在起作用的嗅觉感受器。嗅觉感受器也被称作“嗅觉受器”、“嗅觉受体”或“气味受体”。保留下来的嗅觉感受器通过不同的组合,让我们能够闻到各种各样的气味,但其余的感受器已经退化不再起作用。
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      而狗大约有850种嗅觉感受器,老鼠约有1100或1200种。因此,与人类相比,这些动物能够辨别更多种类的气味甚至包括我们身体机能失常时所产生的气味。
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     《英国医学杂志》上发表的一项研究表明,狗能够通过嗅闻粪便的气味来检测患者是否患有结直肠癌。同时,另一篇论文还描述了狗如何嗅闻出卵巢癌的气味。
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       在撒哈拉以南的非洲,一种非洲巨鼠被训练成为“结核病诊断专家”,它们可以从患者的痰样本中嗅闻诊断结核病,借助巨鼠鼻子可极大地提高医生的诊断准确率。
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       但是,利用动物进行疾病诊断也存在一些问题。首先,必须对它们进行训练。训练这些寿命不长的动物既昂贵又耗时,想要给它们的气味分析库再添加另一种疾病的气味,就必须再次训练它们。其次,使用动物进行实际诊断的可行性是非常有限的。
2.电子鼻未来可期

      因此,科学家们开始思考利用电子鼻的可能性。构建一种人工嗅探器,配备可定期更新的专用标准软件,将是一种更为经济的选择。这就是“电子嗅觉人工智能”。

      它可以像鼻子一样捕捉气味,也可以模仿人脑的神经机制一样对气味进行解释,但是,目前科学家们还未弄清楚人脑识别不同气味的内在机制。从生物学的角度来看,嗅觉行为比我们的视觉能力更复杂,也更难理解。识别一种气味是一个精确而复杂的过程。在这个过程中,化学、生物学和物理学必须共同“奏响”一曲“协奏曲”。无论你是在品味玫瑰的怡人香气,还是捏着鼻子处理一堆难闻的狗屎,都会经历这个复杂的过程。

       模拟鼻腔中神经元的电子鼻需要配备一些化学传感器,这些传感器与进入的气味分子相互作用,检测它们的存在,随后向电子大脑发送电信号,对检测到的分子作出解释。
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       现代科技可让研究人员观察嗅闻气味时大脑内部神经元的活动情况,观察大脑嗅觉区对气味的反应,但这类研究需要脑部手术和基因操作,所以只能让老鼠等实验动物为我们提供帮助。
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       啮齿动物在嗅闻戊酸甲酯时的大脑神经元活动。戊酸甲酯是一种散发水果味的化学物质。啮齿动物的大脑神经元被植入了荧光蛋白,神经元活跃时,荧光蛋白会改变颜色,深红色对应更活跃的大脑活动。

       德米特里•林伯格的研究小组使用的是转基因小鼠,它们的嗅觉神经元经过荧光蛋白染色处理,当它们对气味有反应时,荧光蛋白会发光。研究人员可以通过植入啮齿动物头骨的观察窗来同步观察这个过程。例如,玫瑰的香味刺激27号、72号和112号嗅觉感受器,而狗粪气味刺激其他不同的嗅觉感受器亚群。同时,他们还发现玫瑰和狗粪的气味实际上还激活了一些相同的嗅觉感受器。科学家们系统收集这些大脑神经元的激活模式,以破解嗅觉感受器与气味分子的组合密码。特定的神经元组合对特定的气味分子产生反应,包括对人体在健康状态下和生病状态下所产生不同气味的反应。

       研究人员可以绘制出老鼠大脑中对不同癌症气味作出反应的确切神经元的结构模式图,用收集到的老鼠大脑中神经元对气味反应的数据信息来训练“智能电子鼻”。

       电子嗅觉诊断疾病要真正走进我们的生活,大概还要几十年。现有的技术已经可以观察到实验动物经过着色的神经元反应,但是模拟鼻腔内嗅觉神经元与气味分子结合所需的技术——检测我们代谢物的化学传感器还没有发明出来。一旦这项工作完成,构建一个电子鼻来发现健康问题就相当简单了。

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资料来源​方陵生.电子鼻:未来的疾病诊断专家[J].科学24小时,2021(Z1):44-47.

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