Cảm biến mới phát hiện bệnh viêm phổi qua hơi thở bệnh nhân

Cảm biến mới "ngửi" bệnh viêm phổi qua hơi thở bệnh nhân

Việc chẩn đoán một số bệnh có thể dễ dàng như thổi vào một ống nghiệm. Các kỹ sư MIT đã phát triển một xét nghiệm để phát hiện các hợp chất liên quan đến bệnh trong hơi thở của bệnh nhân. Xét nghiệm mới này có thể cung cấp một cách nhanh hơn để chẩn đoán bệnh viêm phổi và các bệnh lý về phổi khác. Thay vì phải chụp X-quang ngực hoặc chờ đợi kết quả xét nghiệm hàng giờ, một ngày nào đó, bệnh nhân có thể thực hiện xét nghiệm hơi thở và nhận được chẩn đoán trong vòng vài phút.

Xét nghiệm hơi thở mới là một cảm biến di động, kích thước chip, có thể bẫy và phát hiện các hợp chất tổng hợp, hay còn gọi là "chất chỉ thị sinh học" (biomarker) của bệnh, ban đầu được gắn vào các hạt nano có thể hít vào. Các chất chỉ thị sinh học này đóng vai trò như những thẻ nhỏ, chỉ có thể được mở khóa và tách ra khỏi hạt nano bằng một chìa khóa rất đặc biệt, chẳng hạn như một enzyme liên quan đến bệnh.

Ý tưởng là một người sẽ hít vào các hạt nano, tương tự như hít thuốc hen suyễn. Nếu người đó khỏe mạnh, các hạt nano cuối cùng sẽ tuần hoàn ra khỏi cơ thể một cách nguyên vẹn. Tuy nhiên, nếu có một bệnh như viêm phổi, các enzyme được sản xuất do nhiễm trùng sẽ cắt đứt các chất chỉ thị sinh học của hạt nano. Những chất chỉ thị sinh học tự do này sẽ được thở ra và đo lường, xác nhận sự hiện diện của bệnh.

Cho đến nay, việc phát hiện các chất chỉ thị sinh học trong hơi thở như vậy đòi hỏi các thiết bị cấp phòng thí nghiệm, không có sẵn ở hầu hết các phòng khám bác sĩ. Nhóm nghiên cứu MIT hiện đã chứng minh rằng họ có thể phát hiện các chất chỉ thị sinh học của bệnh viêm phổi trong hơi thở với nồng độ cực thấp bằng cách sử dụng xét nghiệm hơi thở di động, kích thước chip mới, mà họ đặt tên là "PlasmoSniff".

Họ dự định tích hợp cảm biến mới vào một thiết bị cầm tay có thể được sử dụng trong môi trường lâm sàng hoặc tại nhà để nhanh chóng chẩn đoán bệnh viêm phổi và các bệnh khác.

"Trong thực tế, chúng tôi hình dung rằng bệnh nhân sẽ hít các hạt nano và, trong vòng khoảng 10 phút, thở ra một chất chỉ thị sinh học tổng hợp báo cáo về tình trạng phổi," Aditya Garg, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí của MIT cho biết. "Công nghệ PlasmoSniff mới của chúng tôi sẽ cho phép phát hiện các chất chỉ thị sinh học được thở ra này trong vòng vài phút ngay tại điểm chăm sóc."

Garg là tác giả đầu tiên của một nghiên cứu chi tiết về thiết kế cảm biến mới của nhóm. Nghiên cứu này xuất hiện trực tuyến trên tạp chí Nano Letters. Các đồng tác giả của MIT bao gồm Marissa Morales, Aashini Shah, Daniel Kim, Ming Lei, Jia Dong, Seleem Badawy, Sahil Patel, Sangeeta Bhatia và Loza Tadesse.

Các thẻ tùy chỉnh

PlasmoSniff là một dự án do Loza Tadesse, trợ lý giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT, dẫn đầu. Nhóm của Tadesse xây dựng các thiết bị chẩn đoán có thể được sử dụng trực tiếp tại phòng khám bác sĩ và các địa điểm chăm sóc khác. Công việc của cô chuyên về quang phổ, sử dụng ánh sáng để xác định các dấu vân tay quan trọng trong một hóa chất hoặc phân tử.

Vài năm trước, Tadesse đã hợp tác với Sangeeta Bhatia, Giáo sư Khoa học và Công nghệ Y tế John và Dorothy Wilson, đồng thời là Giáo sư Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính tại MIT. Nhóm của Bhatia tập trung một phần vào việc phát triển các cảm biến hạt nano - các hạt nhỏ có thể được gắn thẻ bằng một chất chỉ thị sinh học tổng hợp. Bhatia có thể điều chỉnh các chất chỉ thị sinh học này để chỉ tách ra khỏi hạt nano của chúng khi có mặt các enzyme "protease" cụ thể được sản xuất bởi một số bệnh nhất định.

Trong một công trình được báo cáo vào năm 2020, nhóm của Bhatia đã chứng minh rằng họ có thể phát hiện các chất chỉ thị sinh học bị phân cắt của bệnh viêm phổi từ hơi thở của chuột bị nhiễm bệnh. Các chất chỉ thị sinh học này được thở ra ở nồng độ cực thấp, khoảng 10 phần tỷ. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã có thể phát hiện các hợp chất này bằng phương pháp khối phổ - một công nghệ rất nhạy nhưng đòi hỏi các thiết bị cồng kềnh và đắt tiền, không có sẵn rộng rãi trong môi trường lâm sàng.

"Chúng tôi nghĩ, 'Làm thế nào chúng ta có thể đạt được độ nhạy tương tự, theo một cách dễ tiếp cận, tại điểm cần thiết và ở định dạng chip có thể mở rộng về chi phí?'" Tadesse nói.

Một cái bẫy dấu vân tay

Đối với nghiên cứu mới của họ, nhóm của Tadesse đã tìm cách thiết kế một xét nghiệm hơi thở nhạy, di động để nhanh chóng phát hiện các chất chỉ thị sinh học của Bhatia. Thiết kế mới của họ tập trung vào "plasmonics" - nghiên cứu và thao tác ánh sáng và cách nó tương tác với vật chất ở quy mô nano.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng các phân tử thể hiện các chế độ dao động đặc trưng, tương ứng với chuyển động của các nguyên tử trong liên kết hóa học của chúng. Những dao động này có thể được phát hiện bằng phương pháp quang phổ Raman, một kỹ thuật quang học trong đó các phân tử được chiếu sáng bằng ánh sáng. Một phần nhỏ của ánh sáng tán xạ thay đổi năng lượng do tương tác với các dao động của phân tử. Bằng cách đo những thay đổi năng lượng này, các nhà nghiên cứu có thể xác định các phân tử dựa trên dấu vân tay dao động đặc biệt của chúng.

Tuy nhiên, để phát hiện các chất chỉ thị sinh học của Bhatia, họ cần phải cô lập số lượng phân tử tương đối ít ỏi khỏi đám mây dày đặc của nhiều phân tử khác được thở ra. Họ cũng cần phải tăng cường tín hiệu dao động của chất chỉ thị sinh học, vì ánh sáng tán xạ Raman bởi một phân tử riêng lẻ vốn dĩ cực kỳ nhỏ.

"Đây là một vấn đề mò kim đáy bể," Tadesse nói. "Phương pháp của chúng tôi phát hiện ra cây kim đó nếu không sẽ bị chìm trong tiếng ồn."

Cảm biến mới của nhóm...