En izdih bo povedal, ali imate gripo
Prof. dr. Perena Gouma: Strokovnjakinja za kemijske senzorje o tem, da si bomo prvo diagnozo postavili sami z analizatorjem izdihanega zraka
Odpri galerijo
»Analizatorji izdihanega zraka bodo gotovo uporabni za različne namene. Zdravniki splošne medicine in tisti, ki delajo na nujni medicinski pomoči, me pogosto sprašujejo, ali bomo izdelali analizatorje, s katerimi bo mogoče razlikovati med različnimi vrstami bolezni in ki bodo hitri in zanesljivi.« FOTO: Getty Images/iStockphoto
Večina nas v zvezi z izdihanim zrakom najprej pomisli na policijo in alkohol. Toda dr. Perena Gouma napoveduje, da bodo nekoč v telefon vgrajeni senzorji, ki nas bodo na podlagi snovi v izdihanem zraku opozarjali na bolezni, kot sta gripa in rak.
Prof. dr. Perena Gouma iz ZDA je bila uvodna predavateljica na mednarodnem kongresu o kemijskih senzorjih (IMCS). Največje svetovno srečanje strokovnjakov za to področje organizirajo vsaki dve leti, v drugi polovici julija so ga pripravili na Dunaju. »Posvečam se razvoju keramičnih materialov, še zlasti selektivnih kemijskih senzorjev za uporabo v medicini. To ste slišali tudi na mojem današnjem predavanju,« nam je povedala na začetku daljšega pogovora med odmorom na dunajskem kongresu.
Moj »raziskovalni otrok« so diagnostični analizatorji izdihanega zraka. Moje delo je interdisciplinarno, od znanosti o materialih in inženirstvu ter razvoja in preizkušanja senzorjev do proizvodnje za trg. Pristop je celosten, saj obsega vse od temeljnih raziskav do končnega izdelka. To je nov koncept v akademskem delu. Znanstveni raziskovalci na akademskih ustanovah so se do zdaj večinoma posvečali samo raziskovalnemu delu. Toda svet se spreminja. Jasno je, da je treba rezultate uporabnih raziskav hitreje uvajati v prakso.
Še iz časov nobelovca Linusa Paulinga, torej od začetka sedemdesetih let prejšnjega stoletja, vemo, da je v izdihanem zraku človeka marsikaj, kar je mogoče meriti. Seveda je vprašanje, kaj je v izdihanem zraku takega, kar bi lahko razkrivalo bolezenske spremembe. Pri tem mora biti odločilna medicina. Pogosto merimo količino izdihanega dušikovega oksida. Nekoč smo lahko merili samo vsebnost dušikovega oksida v izdihanem zraku in nismo vedeli, ali ima človek astmo, kronično obstruktivno pljučno bolezen ali morda pljučnico, raka ali katero drugo bolezen. Zdaj upoštevamo nekatere medicinske smernice. Na voljo imamo tudi posredne namige, nimamo pa še smernic za razlikovanje med rakom dojke in pljučnim rakom, in to na podlagi količine izmerjenih alkenov in alkanov.
Izdelali smo tri senzorje: enega posebej za alkane, drugega za alkene, tretji je naključen. Pošiljali smo jim signale iz celic različnih vrst raka, na primer raka dojke, pljuč, trebušne slinavke. Preizkusili smo različne variacije. V predhodnih raziskavah smo ugotovili, da lahko razmeroma zanesljivo razlikujemo med različnimi vrstami raka. Kljub temu nas čaka še dolga pot do izdelave zanesljivih analizatorjev izdihanega zraka za omenjene bolezni.
Obstajajo različni pristopi k razvoju. Izdelujete lahko selektivne in neselektivne kemijske senzorje. Selektivni zaznajo in merijo neko kemično snov ali neko vrsto kemičnih snovi ter razlikujejo med takšnimi snovmi. Neselektivni se odzovejo na različne snovi v tem, kar analiziramo. Zato je treba pri njih najprej imeti »električni nos«, nekoliko podoben človeškemu nosu, v katerem je veliko nevroloških senzorjev. Ko jih doseže dražljaj, pošljejo signale v možgane, da jih obdelajo.
Moj pristop je drugačen, razvijam zelo posebne plinske senzorje. Pri njih ne potrebujemo zapletenih algoritmov za prepoznavanje vzorcev in obdelavo. Sistem interpretacije podatkov, ki so jih zaznali moji selektivni senzorji, je zelo preprost. Ti senzorji se odzovejo na biooznačevalce, signalne metabolite ali vonj. Pri selektivnih senzorjih so »možgani« njihov material, pri neselektivnih pa »možgani« opravljajo prepoznavanje vzorcev. Oba pristopa veliko raziskujejo in razvijajo.
Prevladujoče težnje pri takšnih raziskavah so senzorji, ki jih ljudje nosijo na telesu. Številne razvijajo tako, da analizirajo znoj na koži. Senzorje izdihanega zraka razvijajo že dlje časa, vendar opažam, da prihaja tudi čas za senzorje kože, ki prav tako izloča številne metabolite. Tu je treba rešiti vprašanje občutljivosti detektorjev ter vprašanje morebitnega vplivanja zunanjih dejavnikov, ki lahko spremenijo rezultate. Sama pomagam razvijati detektorje na koži.
Da, z njimi se ukvarjam že več kot deset let. Bila sem med prvimi pobudniki razvoja analizatorjev izdihanega zraka z enim izdihom.
Analizatorji alkohola v izdihanem zraku so neselektivni senzorji. Ti delujejo na podlagi kositrnega oksida in ugotavljajo marsikaj. So kakor protipožarni alarm, ki se lahko oglasi, tudi če v kuhinji kuhate nekaj, kar povzroča veliko dima. Alarm se odzove na kakršenkoli ogljikovodik in ni selektiven. Mi pa vzamemo materiale, ki so zelo občutljivi na neko snov, in z njimi izdelujemo selektivne analizatorje plinov. Ti so precej zanesljivejši in cenejši od neselektivnih – ne glede na to, ali gre za tiste za preprečevanje požara ali za bolnike z astmo.
Analizatorji izdihanega zraka bodo gotovo uporabni za različne namene. Zdravniki splošne medicine in tisti, ki delajo na nujni medicinski pomoči, me pogosto sprašujejo, ali bomo izdelali analizatorje, s katerimi bo mogoče razlikovati med različnimi vrstami bolezni in ki bodo hitri in zanesljivi. Nedvomno se bodo senzorji razvijali v tej smeri. Nekateri drugi, denimo Google, so razvijali optične detektorje krvi skozi kožo in pri tem uporabljali infrardečo svetlobo. Toda na rezultate lahko vpliva temnejša barva kože, zato so te raziskave opustili.
Že zdaj poznamo različne senzorje, ki delujejo skozi kožo, denimo pri teku in drugih športnih dejavnostih, vendar so vsi takšni senzorji samo električni. Prepričana sem, da se bodo kemijski analizatorji tudi na tem področju zelo uveljavili. Morda boste nekega dne podatke o različnih vidikih svojega zdravja pridobili z analizo izdihanega zraka med pogovorom po mobilnem telefonu. Podatke bo pridobil tudi vaš zdravnik, ki bo lahko ugotovil, ali jemljete zdravila, ali je odmerek optimalen, ali se je stanje izboljšalo …
Da, to je zelo zanimivo, enako velja za urjenje psov in morskih živali, ki lahko odkrijejo razstrelivo, mamila … Psi so zelo občutljivi za nekatere kemijske sestavine, človek tega ne zmore. Mimogrede, nekateri ljudje imajo zelo občutljiv čut za vonj, zato delajo kot ustvarjalci parfumov in v podobnih poklicih. Takšen pristop upoštevajo raziskovalci, ki razvijajo že omenjene »elektronske nosove«. Ti vgrajujejo na tisoče senzorjev in čakajo, da se bo eden od njih odzval na dražljaj. Toda za opisani pristop so potrebne izjemne zmogljivosti računanja, saj je treba analizirati zelo velike količine podatkov. Zato ponavljam: precej lažje je narediti poseben senzor. Če vemo, da je aceton pomemben pri sladkorni bolezni, potrebujemo samo senzor za aceton.
Da, z njimi ugotavljamo, ali je človek spočit in ali je predolgo za volanom. Takšni analizatorji so zanimivi tudi za vojsko in nekatera druga področja delovanja, kjer lahko pričakujemo nevarne posledice, če so ljudje preutrujeni.
Za trg je pripravljen analizator za astmo. Namenjen bo optimizaciji zdravljenja, saj bolnik morda ne potrebuje zdravil prav vsak dan. Z njim je mogoče ugotoviti, ali se stanje slabša in ali se bliža astmatični napad. Na trgu bomo ponudili tudi senzor za aceton in za analizo hitrosti presnove. Ta bo pokazal, ali organizem porablja maščobe, kakšni so rezultati diete, ali ste se dovolj gibali in podobno. Prav tako razvijamo analizatorje za gripo. S temi senzorji nameravamo zelo zgodaj ugotoviti, ali je človek zbolel za gripo, in to še preden se pojavijo vsi simptomi. Tako se boste morda izognili obisku pri zdravniku in ne boste okužili drugih.
Kemijske senzorje, ki jih razvijamo, je mogoče uporabljati tudi v tako imenovanem pametnem kmetijstvu. Z njimi analiziramo zdravje živali, učinkovitost prehrane … Z analizo izdihanega zraka piščancev bi denimo pri ptičji gripi odstranili samo maloštevilne okužene živali, ne bi bilo treba izprazniti celotnih kmetij.
Prof. dr. Perena Gouma iz ZDA je bila uvodna predavateljica na mednarodnem kongresu o kemijskih senzorjih (IMCS). Največje svetovno srečanje strokovnjakov za to področje organizirajo vsaki dve leti, v drugi polovici julija so ga pripravili na Dunaju. »Posvečam se razvoju keramičnih materialov, še zlasti selektivnih kemijskih senzorjev za uporabo v medicini. To ste slišali tudi na mojem današnjem predavanju,« nam je povedala na začetku daljšega pogovora med odmorom na dunajskem kongresu.
Perena Gouma na državni univerzi v Ohiu vodi katedro za inženirsko keramiko in je profesorica na oddelku za znanost o materialih in inženirstvu ter na oddelku za strojništvo in razvoj letal in vesoljskih plovil. FOTO: Milan Ilić
Analiza izdihanega zraka je za vas očitno poseben izziv?
Moj »raziskovalni otrok« so diagnostični analizatorji izdihanega zraka. Moje delo je interdisciplinarno, od znanosti o materialih in inženirstvu ter razvoja in preizkušanja senzorjev do proizvodnje za trg. Pristop je celosten, saj obsega vse od temeljnih raziskav do končnega izdelka. To je nov koncept v akademskem delu. Znanstveni raziskovalci na akademskih ustanovah so se do zdaj večinoma posvečali samo raziskovalnemu delu. Toda svet se spreminja. Jasno je, da je treba rezultate uporabnih raziskav hitreje uvajati v prakso.
Razmeroma zanesljivo lahko razlikujemo med vrstami raka, toda do izdelave zanesljivih analizatorjev nas čaka še veliko dela.
Kaj vse je mogoče odkriti v izdihanem zraku?
Še iz časov nobelovca Linusa Paulinga, torej od začetka sedemdesetih let prejšnjega stoletja, vemo, da je v izdihanem zraku človeka marsikaj, kar je mogoče meriti. Seveda je vprašanje, kaj je v izdihanem zraku takega, kar bi lahko razkrivalo bolezenske spremembe. Pri tem mora biti odločilna medicina. Pogosto merimo količino izdihanega dušikovega oksida. Nekoč smo lahko merili samo vsebnost dušikovega oksida v izdihanem zraku in nismo vedeli, ali ima človek astmo, kronično obstruktivno pljučno bolezen ali morda pljučnico, raka ali katero drugo bolezen. Zdaj upoštevamo nekatere medicinske smernice. Na voljo imamo tudi posredne namige, nimamo pa še smernic za razlikovanje med rakom dojke in pljučnim rakom, in to na podlagi količine izmerjenih alkenov in alkanov.
Kaj trenutno počnete na tem področju?
Izdelali smo tri senzorje: enega posebej za alkane, drugega za alkene, tretji je naključen. Pošiljali smo jim signale iz celic različnih vrst raka, na primer raka dojke, pljuč, trebušne slinavke. Preizkusili smo različne variacije. V predhodnih raziskavah smo ugotovili, da lahko razmeroma zanesljivo razlikujemo med različnimi vrstami raka. Kljub temu nas čaka še dolga pot do izdelave zanesljivih analizatorjev izdihanega zraka za omenjene bolezni.
Morda boste nekoč podatke o svojem zdravju pridobili z analizo izdihanega zraka med pogovorom po mobilnem telefonu.
Kakšne so splošne težnje pri razvoju kemijskih senzorjev in kako vi prispevate k temu razvoju?
Obstajajo različni pristopi k razvoju. Izdelujete lahko selektivne in neselektivne kemijske senzorje. Selektivni zaznajo in merijo neko kemično snov ali neko vrsto kemičnih snovi ter razlikujejo med takšnimi snovmi. Neselektivni se odzovejo na različne snovi v tem, kar analiziramo. Zato je treba pri njih najprej imeti »električni nos«, nekoliko podoben človeškemu nosu, v katerem je veliko nevroloških senzorjev. Ko jih doseže dražljaj, pošljejo signale v možgane, da jih obdelajo.
Moj pristop je drugačen, razvijam zelo posebne plinske senzorje. Pri njih ne potrebujemo zapletenih algoritmov za prepoznavanje vzorcev in obdelavo. Sistem interpretacije podatkov, ki so jih zaznali moji selektivni senzorji, je zelo preprost. Ti senzorji se odzovejo na biooznačevalce, signalne metabolite ali vonj. Pri selektivnih senzorjih so »možgani« njihov material, pri neselektivnih pa »možgani« opravljajo prepoznavanje vzorcev. Oba pristopa veliko raziskujejo in razvijajo.
Izdelujemo tudi analizatorje izdihanega zraka, s katerimi ugotavljamo, ali je človek spočit in ali je predolgo za volanom.
Prevladujoče težnje pri takšnih raziskavah so senzorji, ki jih ljudje nosijo na telesu. Številne razvijajo tako, da analizirajo znoj na koži. Senzorje izdihanega zraka razvijajo že dlje časa, vendar opažam, da prihaja tudi čas za senzorje kože, ki prav tako izloča številne metabolite. Tu je treba rešiti vprašanje občutljivosti detektorjev ter vprašanje morebitnega vplivanja zunanjih dejavnikov, ki lahko spremenijo rezultate. Sama pomagam razvijati detektorje na koži.
Tiste za analizo izdihanega zraka razvijate že dlje časa.
Da, z njimi se ukvarjam že več kot deset let. Bila sem med prvimi pobudniki razvoja analizatorjev izdihanega zraka z enim izdihom.
Vemo, da analizatorje izdihanega zraka uporablja policija, ki preverja, ali so vozniki pili alkohol.
Analizatorji alkohola v izdihanem zraku so neselektivni senzorji. Ti delujejo na podlagi kositrnega oksida in ugotavljajo marsikaj. So kakor protipožarni alarm, ki se lahko oglasi, tudi če v kuhinji kuhate nekaj, kar povzroča veliko dima. Alarm se odzove na kakršenkoli ogljikovodik in ni selektiven. Mi pa vzamemo materiale, ki so zelo občutljivi na neko snov, in z njimi izdelujemo selektivne analizatorje plinov. Ti so precej zanesljivejši in cenejši od neselektivnih – ne glede na to, ali gre za tiste za preprečevanje požara ali za bolnike z astmo.
Morda boste nekoč podatke o svojem zdravju pridobili z analizo izdihanega zraka.
Kakšno prihodnost pričakujete pri razvoju kemijskih senzorjev?
Analizatorji izdihanega zraka bodo gotovo uporabni za različne namene. Zdravniki splošne medicine in tisti, ki delajo na nujni medicinski pomoči, me pogosto sprašujejo, ali bomo izdelali analizatorje, s katerimi bo mogoče razlikovati med različnimi vrstami bolezni in ki bodo hitri in zanesljivi. Nedvomno se bodo senzorji razvijali v tej smeri. Nekateri drugi, denimo Google, so razvijali optične detektorje krvi skozi kožo in pri tem uporabljali infrardečo svetlobo. Toda na rezultate lahko vpliva temnejša barva kože, zato so te raziskave opustili.
Že zdaj poznamo različne senzorje, ki delujejo skozi kožo, denimo pri teku in drugih športnih dejavnostih, vendar so vsi takšni senzorji samo električni. Prepričana sem, da se bodo kemijski analizatorji tudi na tem področju zelo uveljavili. Morda boste nekega dne podatke o različnih vidikih svojega zdravja pridobili z analizo izdihanega zraka med pogovorom po mobilnem telefonu. Podatke bo pridobil tudi vaš zdravnik, ki bo lahko ugotovil, ali jemljete zdravila, ali je odmerek optimalen, ali se je stanje izboljšalo …
Že več let proučujejo, kako lahko psi z vohanjem odkrijejo pljučnega raka ali raka dojke na zgodnji stopnji.
Da, to je zelo zanimivo, enako velja za urjenje psov in morskih živali, ki lahko odkrijejo razstrelivo, mamila … Psi so zelo občutljivi za nekatere kemijske sestavine, človek tega ne zmore. Mimogrede, nekateri ljudje imajo zelo občutljiv čut za vonj, zato delajo kot ustvarjalci parfumov in v podobnih poklicih. Takšen pristop upoštevajo raziskovalci, ki razvijajo že omenjene »elektronske nosove«. Ti vgrajujejo na tisoče senzorjev in čakajo, da se bo eden od njih odzval na dražljaj. Toda za opisani pristop so potrebne izjemne zmogljivosti računanja, saj je treba analizirati zelo velike količine podatkov. Zato ponavljam: precej lažje je narediti poseben senzor. Če vemo, da je aceton pomemben pri sladkorni bolezni, potrebujemo samo senzor za aceton.
Prav tako izdelujete analizatorje izdihanega zraka, ki so povezani s spanjem.
Da, z njimi ugotavljamo, ali je človek spočit in ali je predolgo za volanom. Takšni analizatorji so zanimivi tudi za vojsko in nekatera druga področja delovanja, kjer lahko pričakujemo nevarne posledice, če so ljudje preutrujeni.
Od raket do elektronskih nosovPerena Gouma, po rodu Grkinja, je po temeljnem študiju uporabne fizike v Solunu opravila podiplomski študij znanosti o materialih in inženirstvu ter študij organizacijskega menedžmenta, oba v Veliki Britaniji. Tam je leta 1996 doktorirala, prav tako iz znanosti o materialih in inženirstvu. Nato se je preselila v ZDA. Skoraj 17 let je delala na newyorški državni univerzi in opravljala naloge direktorice središča za nanomateriale in razvoj senzorjev. Danes na državni univerzi v Ohiu vodi katedro za inženirsko keramiko, poimenovano v čast Edwarda Ortona mlajšega. Poleg tega je profesorica na oddelku za znanost o materialih in inženirstvu ter na oddelku za strojništvo in razvoj letal in vesoljskih plovil.
Na katerem področju ste že blizu tega, da boste trgu ponudili končni izdelek?
Za trg je pripravljen analizator za astmo. Namenjen bo optimizaciji zdravljenja, saj bolnik morda ne potrebuje zdravil prav vsak dan. Z njim je mogoče ugotoviti, ali se stanje slabša in ali se bliža astmatični napad. Na trgu bomo ponudili tudi senzor za aceton in za analizo hitrosti presnove. Ta bo pokazal, ali organizem porablja maščobe, kakšni so rezultati diete, ali ste se dovolj gibali in podobno. Prav tako razvijamo analizatorje za gripo. S temi senzorji nameravamo zelo zgodaj ugotoviti, ali je človek zbolel za gripo, in to še preden se pojavijo vsi simptomi. Tako se boste morda izognili obisku pri zdravniku in ne boste okužili drugih.
Kemijske senzorje, ki jih razvijamo, je mogoče uporabljati tudi v tako imenovanem pametnem kmetijstvu. Z njimi analiziramo zdravje živali, učinkovitost prehrane … Z analizo izdihanega zraka piščancev bi denimo pri ptičji gripi odstranili samo maloštevilne okužene živali, ne bi bilo treba izprazniti celotnih kmetij.
