Определить болезнь по дыханию

Helicobacter pylori ― это бактерия, которая обитает на слизистой оболочке желудка и двенадцатиперстной кишки и вызывает ее воспаление и повреждение. Попадая в организм человека и закрепляясь на слизистой, она начинает вырабатывать фермент уреазу. Это повышает уровень кислотности (pH), концентрацию аммиака и углекислого газа, из-за чего и запускается воспалительный процесс. Helicobacter pylori опасна и может привести к серьезным последствиям. Именно наличие бактерии на слизистых считается основной причиной развития хронического гастрита, язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки. Помимо этого, она может привести к развитию рака желудка.

Чтобы обнаружить Helicobacter pylori, врачи применяют разные методы. Например, исследуют антитела к бактерии в крови, а также проводят бактериологическое и микроскопическое исследование слизистой желудка и двенадцатиперстной кишки и быстрый уреазный тест с помощью гастроскопии.

Но есть и более удобные для пациента исследования, в которых не нужно сдавать биоматериал. Одно из них — уреазный дыхательный тест. С его помощью можно обнаружить бактерию в организме, сравнив концентрацию двух компонентов — углерода 12С и 13С в выдыхаемом человеком диоксиде углерода. Во время теста пациент сначала выдыхает в трубку базовую пробу, затем принимает специальный препарат, обогащенный углеродом 13С. Препарат вступает в реакцию с бактерией, в результате чего выделяется дополнительный углекислый газ и аммиак. После того, как пациент сдал вторую, диагностическую пробу, врачи анализируют соотношение между углеродом 12С и 13С в обеих пробах, используя для контроля стандартную пробу. Более высокая концентрация углерода 13С в диагностической пробе означает, что в организме пациента присутствует Helicobacter pylori.

При этом важно учитывать, что соотношение углерода 12С и 13С также зависит от пола, возраста, пищевых привычек пациента и других факторов, которые могут повлиять на точность измерений. Чаще всего в диагностических центрах для определения Helicobacter pylori используется недисперсионный инфракрасный спектрометр. Однако такие приборы не всегда могут дать точный результат, и пациентам приходится сдавать уреазный дыхательный тест по несколько раз. Есть и другие, более точные диагностические системы (например, основанные на другом методе анализа — масс-спектрометрии), но для них требуется дорогое и сложное оборудование.

Что сделали ученые ИТМО

Сотрудники научно-исследовательской лаборатории спектроскопии биологических объектов ИТМО разработали диагностическую систему для анализа проб уреазного дыхательного теста на основе рамановской спектроскопии. Как отмечают исследователи, этот метод проще в использовании и позволяет получать точные измерения. Также разработка может заменить ушедшие с рынка аналогичные системы из США, Китая и Германии, так как большая часть деталей диагностической системы, например монохроматор и газовая система, была изготовлена в России и СНГ.

«Проект стал продолжением рамановского газоанализатора, который мы разработали ранее для компании "Мониторинг". Прибор позволял определять объемные доли (концентрацию) углерода 12С и 13С в углекислом газе и метане. Эта характеристика важна при производстве газовых смесей. После окончания проекта мы стали думать, в каких еще направлениях можно использовать наш прибор, и решили сфокусироваться на уреазном дыхательном тесте. Это довольно известный метод тестирования, который давно применяется в медицине. Но нам удалось создать точную и простую в использовании диагностическую систему из отечественных комплектующих», — рассказывает автор разработки, руководитель научно-исследовательская лаборатории спектроскопии биологических объектов ИТМО Евгений Попов.

Чтобы перестроить ранее разработанный рамановский газоанализатор под медицинские задачи, ученые ИТМО добавили в него диагностическую систему. Она состоит из кюветы, сдерживающей внутри себя газовую смесь, и газовой системы, которая помогает присоединять образцы для тестирования.

В проекте также участвуют специалисты всероссийского научно-исследовательского института метрологии им. Д. И. Менделеева ― именно они помогли подготовить эталонные газовые смеси. Смеси называются так, потому что объемные доли содержащихся в них компонентов заранее известны. Такие образцы удобно использовать для проверки и калибровки прибора. Если значение объемных долей, которые показывает диагностическая система, совпадает со значением на эталонной пробе, значит прибор показывает корректные измерения.

Затем ученые ИТМО разработали специальное программное обеспечение, которое нужно для управления системой и анализа образцов, и провели исследования. Исследователи изучили, как конкретно разные параметры (мощность лазерного излучения, температура, давление) влияют на концентрацию молекул углеродов 12С и 13С в газовой смеси. И в результате построили линейную функцию зависимости значений объемной доли углеродов 12С и 13С от условий, в которых проводится испытание. Это помогает подобрать нужные параметры для теста и предсказать, каким будет результат измерения.

Читайте также:

Решения для медицины, новые экзоскелеты и продукты питания: над какими проектами работают студенты ИТМО в рамках конкурса НИОКТР

Внешне газоанализатор выглядит как большой прямоугольный закрытый блок, внутри которого установлена диагностическая система. Перед началом анализа образцы уреазного дыхательного теста с газовой смесью (обычно они хранятся в герметичных тюбиках) присоединяют к газоанализатору. После этого газовая смесь проникает внутрь газоанализатора и попадает в закрытую емкость с небольшими отверстиями — кювету. Она нужна, чтобы не давать смеси распространяться по всему прибору. С помощью оптической системы газоанализатора лазерное излучение фокусируется и направляется в кювету со смесью.

Дальше все взаимодействие лазера и молекул газовой смеси можно сравнить с упражнением из школьной физкультуры на меткость. Представим, что ребенок кидает сразу несколько теннисных мячиков (в нашем случае это лазерное излучение) в неподвижную круглую мишень, которая нарисована на стене (кювет с газовой смесью). Когда мячики попадают в цель, то разлетаются в разные стороны (фотоны из газовой смеси вылетают из небольших отверстий кювета). Затем к упавшим на пол мячикам подбегает ребенок, собирает их и уносит в общую корзину с мячиками (рассеянное излучение собирают с помощью другой оптической системы газоанализатора и направляют в приемник излучения).

Последний этап исследования — анализ. Монохроматор и камера фиксируют все изменения длины волны излучения. На основе этих данных программное обеспечение анализирует, как изменялось соотношение углерода 12С и 13С. Благодаря результатам этого теста и других сведений о пациенте врач ставит диагноз и планирует дальнейшее лечение.

А чтобы подготовить газоанализатор к следующим испытаниям, достаточно запустить систему очистки. Она удаляет из кюветы следы предыдущей газовой смеси. В свою очередь это повышает точность дальнейших измерений.

Не только Helicobacter pylori

Сейчас разработчики диагностической системы ищут партнеров среди медицинских лабораторий, чтобы провести доклинические и клинические испытания. Если всё пройдет успешно, в дальнейшем они готовы разработать уже серию приборов вместе с индустриальными партнерами. По словам Евгения Попова, система может быть интересна индустриальным партнерам в том числе и потому, что ее можно будет использовать в медицинских учреждениях как замену оборудованию иностранного производства.

«Как все работает? Когда пациент сдал уреазный дыхательный тест, две его пробы отвозят в медицинскую лабораторию и исследуют на нашем приборе ―  оператор присоединяет пробы к газоанализатору и делает нужные измерения. При этом мы специально сделали удобный интерфейс, который упростит работу оператора. Благодаря подсказкам у персонала получится провести измерения в той последовательности, в которой мы задумали, а это очень важно для конечного результата. После исследования оператор получает готовый текстовый документ, где написано изменение в соотношении углеродов 12С и 13С. В дальнейшем он может сразу отправить его медицинскому учреждению, самому пациенту или на его основе составить клинический протокол для своей организации», — объясняет руководитель лаборатории оптоэлектронного обеспечения киберфизических систем ИТМО Владимир Виткин.

По словам разработчиков, в перспективе диагностическую систему можно адаптировать и для определения других заболеваний — например диабета, астмы, рака легких и туберкулеза. Дело в том, что в зависимости от болезни, которой страдает пациент, меняется и его состав дыхания. В нем появляются конкретные биомаркеры — летучие органические вещества (углеводороды, альдегиды, спирты, кетоны и другие). Именно они также могут указать на наличие заболевания.