Innovativer KI-Atemanalysator diagnostiziert Krankheiten durch „Geruch“

Künstliche Intelligenz, Nanotechnologie und molekulare Chemie überschneiden sich.

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Stellen Sie sich vor, Sie könnten wissen, ob Sie an Parkinson, Multiple Sklerose, Leberversagen, Morbus Crohn, pulmonaler Hypertonie, chronischer Nierenerkrankung oder einer beliebigen Anzahl von Krebserkrankungen leiden, die auf einem einfachen, nicht-invasiven Atemtest basieren. Atemanalysatoren zum Nachweis von Alkohol gibt es bereits seit mehr als einem halben Jahrhundert. Warum nicht das gleiche Konzept zur Erkennung von Krankheiten anwenden? Ein weltweites Team von Wissenschaftlern aus Universitäten in Israel, Frankreich, Lettland, China und den Vereinigten Staaten hat ein künstliches Intelligenzsystem (KI) entwickelt, um 17 Krankheiten aus dem Atemzug mit einer Genauigkeit von 86 Prozent zu erkennen.

Das von Professor Hassam Haick vom Technion-Israel Institute of Technology geleitete Forschungsteam sammelte Atemproben von 1404 Probanden, die entweder keine Krankheit (gesunde Kontrolle) oder eine von 17 verschiedenen Krankheiten hatten. Zu den Krankheitszuständen gehören Lungenkrebs, Darmkrebs, Kopf- und Halskrebs, Eierstockkrebs, Blasenkrebs, Prostatakrebs, Nierenkrebs, Magenkrebs, Morbus Crohn, Colitis ulcerosa, Reizdarmsyndrom, idiopathischer Parkinson-Syndrom, atypische Parkinson-Krankheit, pulmonaler Hypertonie, Präeklampsie-Toxämie und chronische Nierenerkrankung.

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Das Konzept ist relativ einfach: Erkennen Sie Atemabdrücke von Krankheiten und vergleichen Sie sie mit der menschlichen Ausatmung. Was es kompliziert macht, ist die Ausführung des Konzepts. Zum Beispiel, wie man den Atemabdruck einer Krankheit erkennt? Ist es einzigartig wie ein Fingerabdruck? Um diese Frage zu beantworten, ist ein tieferer Blick auf die molekulare Zusammensetzung des Atems erforderlich.

Beim Ausatmen werden Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Argon und Wasserdampf freigesetzt. Der menschliche Atem enthält auch flüchtige organische Verbindungen (VOCs) – organische Chemikalien, die als Gase ausgestoßen werden und bei normaler Temperatur einen hohen Dampfdruck haben. Der amerikanische Biochemiker Linus Pauling, einer der Begründer der modernen Quantenchemie und Molekularbiologie, und Träger des Nobelpreises für Chemie von 1954 und des Friedensnobelpreises von 1962, untersuchte 1971 250 flüchtige menschliche Atemzüge unter Verwendung eines Gas-Flüssigkeits-Chromatogramms. Pauling ist weithin als Pionier in der modernen Atemanalyse angesehen. Laut einer Studie aus dem Jahr 2011, die in „ Annals of Allergy, Asthma & Immunology “ veröffentlicht wurde, enthält der ausgeatmete Atem etwa 3.500 Komponenten, die zumeist aus kleinen Mengen an VOC bestehen.

VOCs sind der gemeinsame Faktor im Geruchsprozess sowohl für Atemanalysatoren als auch für Menschen. Wenn wir inhalieren, zieht die Nase Geruchsmoleküle an, die typischerweise flüchtige (leicht zu verdampfende) Chemikalien enthalten. Sobald die Geruchsmoleküle das Riechepithelgewebe berühren, das die Nasenhöhle auskleidet, verbinden sie sich mit den Riechrezeptoren und senden einen elektrischen Impuls an eine kugelförmige Struktur, die Glomerulus genannt wird, im Riechkolben des Gehirns. In der Nähe der Oberfläche des Riechkolbens befinden sich ungefähr 2.000 Glomeruli. Der Geruch ist die Interpretation der vom Glomerulus freigesetzten Geruchsstoffe im Gehirn. Die menschliche Nase kann eine Billion Gerüche erkennen. In Haicks Forscherteam ersetzen Nanotechnologie und maschinelles Lernen das biologische Gehirn im Riechprozess.

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Das Haick-Wissenschaftlerteam entwickelte ein System mit dem passenden Namen “NaNose”, bei dem Sensoren, die auf Nanotechnologie basieren, geschult wurden, um flüchtige organische Verbindungen zu erkennen, die mit ausgewählten Krankheiten in der Studie verbunden sind. NaNose hat zwei Schichten. Eine ist eine anorganische Nanoschicht mit Nanoröhren und Goldnanopartikeln für die elektrische Leitfähigkeit. Die andere ist eine organische Sensorschicht mit Kohlenstoff, die den elektrischen Widerstand der anorganischen Schicht basierend auf den ankommenden VOCs steuert. Der elektrische Widerstand ändert sich in Abhängigkeit von den VOCs.

Künstliche Intelligenz (KI) wird zur Analyse der Daten verwendet. Insbesondere wird durch tiefes Lernen Muster in den Daten identifiziert, um eingehende Signale mit der chemischen Signatur bestimmter Krankheiten abzugleichen. Das AI-System wurde dann an mehr als 8.000 Patienten in Kliniken mit vielversprechenden Ergebnissen trainiert – das System erkannte in einem Blindtest einen Magenkrebs mit einer Genauigkeit von 92 bis 94 Prozent. Die Forscher stellten fest, dass “jede Krankheit ihren eigenen Atemzug hat”.

Die Miniaturisierung und Kommerzialisierung der innovativen Technologie, die das Haick-Team in einem Projekt namens “SniffPhone” entwickelt hat, ist im Gange. Im November 2018 zeichnete die Europäische Kommission “Horizont 2020” das SniffPhone mit dem “2018 Innovation Award” für das “Most Innovative Project” aus.

Die Marktchancen für medizinische Atemanalysatoren werden voraussichtlich wachsen. Laut Prognosen, die Grand View Research im Juni 2018 veröffentlichte, wird der Markt für Atemanalysegeräte bis 2024 weltweit auf 11,3 Milliarden US-Dollar ansteigen. Alkoholdetektion hat die Mehrheit des Umsatzanteils. Gegenwärtig werden Atemanalysegeräte zur Erkennung von Alkohol und Drogen sowie zur Diagnose von Asthma und gastroenterischen Zuständen eingesetzt. Die klinischen Anwendungen werden voraussichtlich aufgrund der Einführung der „Einführung fortschrittlicher Technologien zum Nachweis von Stickstoffmonoxid und Kohlenmonoxid in der Luft“ zunehmen, so Grand View Research. Laut der Studie wird erwartet, dass das Segment der medizinischen Anwendungen aufgrund der Fähigkeit von Atemanalysatoren zum Nachweis flüchtiger organischer Verbindungen (VOCs), die bei der „frühen Diagnose von Zuständen wie kardiopulmonalen Erkrankungen und Lungen- und Brustkrebs“ helfen können, wächst. Biomarker zur Beurteilung des Krankheitsverlaufs. “

Durch die Anwendung interdisziplinärer innovativer Technologien aus den Bereichen künstliche Intelligenz, Nanotechnologie und molekulare Chemie kann die Diagnose einer Vielzahl von Krankheiten so einfach und nicht-invasiv sein wie eine Atemanalyse mit einem Handgerät in nicht allzu ferner Zukunft .

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Verweise

Nakhleh, Morad K., Amal, Haitham, Jeries, Raneen, Broza, Yoav Y., Aboud, Manal, Gharra, Alaa, Ivgi, Hodaya, Khatib, Salam, Badarneh, Shifaa, Har-Shai, Lior, Glas-Marmor, Lea, Lejbkowicz, Izabella, Miller, Ariel, Badarny, Samih, Winer, Raz, Finberg, John, Cohen-Kaminsky, Sylvia, Perros, Frédéric, Montani, David, Girerd, Barbara, Garcia, Gilles, Simonneau, Gachald, Nakhoul, Farid, Baram, Shira, Salim, Raed, Hakim, Marwan, Gruber, Maayan, Ronen, Ohad, Marshak, Tal, Doweck, Ilana, Nativ, Ofer, Bahouth, Zaher, Shi, Da-Sie, Zhang, Wei, Hua, Qing-ling, Pan, Yue-yin, Tao, Li, Li, Hu, Karban, Amir, Koifman, Eduard, Rainis, Tova, Skapars, Roberts, Sivins, Armands, Ancans, Guntis, Liepniece-Karele, Inta, Kikuste, Ilze, Lasina, Iev, Tolmanis, Ivars, Johnson, Douglas, Millstone, Stuart Z., Fulton, Jennifer, Wells, John W., Wilf, Larry H., Humbert, Mar, Leja, Marcis, Peled, Nir, Haick, Hossam “Diagnose und Klassifizierung von 17 Krankheiten von 1404 Patienten durch Musteranalyse von ausgeatmeter Molekülen.” ACS Nano. DOI: 10.1021 / acsnano.6b04930. November 2017.

Scudellari, Megan. “Der Alkoholtester unterscheidet sofort zwischen 17 Krankheiten.“ IEEE-Spektrum . 5. Januar 2017.

Lawal, Oluwasola, Ahmed, Wagar M., Nijsen, Tamara, ME, Goodacre, Royston, Fowler, Stephen J. „Analyse des ausgeatmeten Atems: Ein Überblick über atemraubende Methoden für die Offline-Analyse.“ Metabolomics . 19. August 2017

Shirasu, Mika, Touhra, Kazushige. “Der Duft der Krankheit: flüchtige organische Verbindungen des menschlichen Körpers im Zusammenhang mit Krankheiten und Störungen.” The Journal of Biochemistry. 1. September 2011.

Der Nobelpreis. “Linus Pauling”. Abgerufen 1-29-2019 von https://www.nobelprize.org/prizes/peace/1962/pauling/facts/

Pauling, Linus, Robinson, Arthur B., Teranishi, Roy, Cary Paul. “Quantitative Analyse von Urindampf und -atmosphäre mittels Gas-Flüssig-Partitionschromatographie.” PNAS . Oktober 1971.

Phillips, Michael. “Atemtests in der Medizin.” Wissenschaftlicher Amerikaner. Juli 1992.

Popov, Todor A. „Ausatmende Atemanalyse des Menschen“. Annalen von Allergie, Asthma und Immunologie. 22. Januar 2011.

Bushak, Lecia. „Wie riecht die Nase? Die inneren Abläufe unseres Geruchssinns. ” Medical Daily. 5. März 2015

Williams, Sarah CP „Die menschliche Nase kann eine Billion Gerüche erkennen.“ Wissenschaft. 20. März 2014.

SniffPhone. ”SniffPhone gewinnt den Innovationspreis 2018.” Von https://www.sniffphone.eu/ abgerufen.

Grand View-Forschung. “Breath-Analyzer-Marktgröße, Aktien- und Trends-Analysebericht nach Technologie (Brennstoffzelle, Halbleitersensor, Infrarotspektroskopie), nach Anwendung (Alkoholerkennung, Medizin) und Segmentprognosen, 2018 – 2024.” Juni 2018. Abgerufen von https: / / www.grandviewresearch.com/industry-analysis/breath-analyzer-market