Analisador de Respiração AI Inovador Diagnostica Doenças por “Cheiro”

Inteligência Artificial, Nanotecnologia e Química Molecular se cruzam.

Fonte: shutterstock

Imagine ser capaz de saber se você tem doença de Parkinson, esclerose múltipla, insuficiência hepática, doenças de Crohn, hipertensão pulmonar, doença renal crônica ou qualquer número de cânceres com base em um teste simples e não invasivo de sua respiração? Analisadores de respiração para detectar o álcool existem há mais de meio século – por que não aplicar o mesmo conceito para detectar doenças? Uma equipe global de cientistas de universidades de Israel, França, Letônia, China e Estados Unidos desenvolveu um sistema de inteligência artificial (IA) para detectar 17 doenças da respiração exalada com 86% de precisão.

A equipe de pesquisa liderada pelo professor Hassam Haick, do Instituto de Tecnologia Technion-Israel, coletou amostras de 1404 indivíduos sem doença (controle saudável) ou com uma de 17 doenças diferentes. As doen�s incluem cancro do pulm�, cancro colorrectal, cancro da cabe� e do pesco�, cancro do ov�io, cancro da bexiga, cancro da pr�tata, cancro dos rins, cancro g�trico, doen� de Crohn, colite ulcerativa, sindroma do intestino irrit�el, ​​Parkinson idiop�ico, Parkinson ISM at�ica, esclerose m�tipla, hipertensão pulmonar, toxemia pré-eclâmpsia e doença renal crônica.

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O conceito é relativamente simples – identifique as impressões respiratórias das doenças e compare-as com a exalação humana. O que torna complicado é a execução do conceito. Por exemplo, como identificar o impacto de uma doença? É único como uma impressão digital? Para responder a essa pergunta, é necessário um exame mais profundo da composição molecular da respiração.

Quando expiramos, nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, argônio e vapor de água são liberados. A respiração humana também contém compostos orgânicos voláteis (COVs) – substâncias químicas orgânicas que são emitidas como gases e têm uma alta pressão de vapor na temperatura normal. O bioquímico americano Linus Pauling, um dos fundadores da moderna química quântica e biologia molecular, ganhador do Prêmio Nobel de 1954 em Química, e do Nobel da Paz de 1962, estudou 250 voláteis de respiração humana usando um cromatograma líquido-gasoso em 1971. Pauling é amplamente considerado como um pioneiro na análise moderna da respiração. Respiração exalada contém aproximadamente mais de 3.500 componentes compostos principalmente de COVs em pequenas quantidades, de acordo com um estudo de 2011 publicado em ” Anais de Alergia, Asma e Imunologia “.

Os compostos orgânicos voláteis são o fator comum no processo de olfato tanto para analisadores de respiração quanto para seres humanos. Quando inalamos, o nariz atrai moléculas de odor que normalmente contêm substâncias químicas voláteis (fáceis de evaporar). Uma vez que as moléculas odoríferas entram em contato com o tecido do epitélio olfatório que reveste a cavidade nasal, ele se liga aos receptores olfativos e envia um impulso elétrico a uma estrutura esférica chamada glomérulo no bulbo olfatório do cérebro. Existem aproximadamente 2.000 glomérulos perto da superfície do bulbo olfatório. Cheiro é a interpretação do cérebro dos padrões odoríferos liberados do glomérulo. O nariz humano pode detectar um trilhão de cheiros. Na equipe de pesquisadores da Haick, a nanotecnologia e o aprendizado de máquina substituem o cérebro biológico no processo de olfato.

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A equipe de cientistas de Haick desenvolveu um sistema, apropriadamente chamado de “NaNose”, que usa sensores baseados em nanotecnologia treinados para detectar compostos orgânicos voláteis associados a doenças selecionadas no estudo. NaNose tem duas camadas. Uma é uma nanocamada inorgânica com nanotubos e nanopartículas de ouro para condutividade elétrica. O outro é uma camada de detecção orgânica com carbono que controla a resistência elétrica da camada inorgânica com base nos COVs recebidos. A resistência elétrica muda dependendo dos VOCs.

A inteligência artificial (AI) é usada para analisar os dados. Especificamente, a aprendizagem profunda é usada para identificar padrões nos dados, a fim de combinar sinais de entrada com a assinatura química de doenças específicas. O sistema de IA foi então treinado em mais de 8.000 pacientes em clínicas com resultados promissores – o sistema detectou câncer gástrico com 92-94 por cento de precisão em um teste cego. Os pesquisadores descobriram que “cada doença tem sua própria impressão original”.

Esforços estão em andamento para miniaturizar e comercializar a tecnologia inovadora desenvolvida pela equipe de Haick em um projeto chamado “SniffPhone”. Em novembro de 2018, o Horizonte 2020 da Comissão Européia premiou o SniffPhone com o “Prêmio Inovação 2018” para o “Projeto Mais Inovador”.

Espera-se que a oportunidade de mercado para analisadores de respiração médica cresça. Até 2024, o mercado de analisadores de hálitos está projetado para aumentar para US $ 11,3 bilhões globalmente, de acordo com dados publicados em junho de 2018 pela Grand View Research – a detecção de álcool tem a maior parte da receita. Atualmente, os analisadores de respiração são usados ​​para detectar álcool, drogas e diagnosticar asma e condições gastroentéricas. As aplicações clínicas devem aumentar devido à introdução da “introdução de tecnologias avançadas para detectar o óxido nítrico e o monóxido de carbono no ar”, declara a Grand View Research. De acordo com o estudo, espera-se que o segmento de aplicações médicas cresça devido à capacidade dos analisadores respiratórios para detectar compostos orgânicos voláteis (COVs) que podem ajudar no “diagnóstico precoce de condições, incluindo doenças cardiopulmonares e câncer de pulmão e mama”, e agir como “ biomarcadores para avaliar as progressões da doença. ”

Ao aplicar tecnologias inovadoras interdisciplinares dos campos da inteligência artificial, nanotecnologia e química molecular, o diagnóstico de uma ampla variedade de doenças pode ser tão simples e não invasivo quanto uma análise da respiração usando um dispositivo portátil em um futuro não tão distante. .

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