L’innovativo analizzatore di alito AI diagnostica le malattie secondo l’olfatto

Intersezione di Intelligenza Artificiale, Nanotecnologia e Chimica Molecolare.

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Immagina di essere in grado di sapere se soffri di malattia di Parkinson, sclerosi multipla, insufficienza epatica, morbo di Crohn, ipertensione polmonare, malattia renale cronica o un numero qualsiasi di tumori basato su un semplice test non invasivo del tuo respiro? Gli analizzatori del respiro per rilevare l’alcol esistono da oltre mezzo secolo – perché non applicare lo stesso concetto per rilevare le malattie? Un team globale di scienziati provenienti da università di Israele, Francia, Lettonia, Cina e Stati Uniti ha sviluppato un sistema di intelligenza artificiale (AI) per rilevare 17 malattie dal respiro espirato con l’86% di accuratezza.

Il gruppo di ricerca guidato dal professor Hassam Haick dell’Istituto Technion-Israele di tecnologia ha raccolto campioni di respiro da 1404 soggetti con nessuna malattia (controllo sano) o una delle 17 diverse malattie. Le condizioni della malattia comprendono cancro del polmone, tumore del colon-retto, tumore della testa e del collo, carcinoma ovarico, cancro della prostata, cancro del rene, cancro gastrico, morbo di Crohn, colite ulcerosa, sindrome dell’intestino irritabile, Parkinson idiopatico, ISM di Parkinson atipico, sclerosi multipla, ipertensione polmonare, tossiemia pre-eclampsia e malattia renale cronica.

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Il concetto è relativamente semplice: identificare le impronte delle malattie e confrontarle con l’esalazione umana. Ciò che rende complicato è l’esecuzione del concetto. Ad esempio, come identificare l’impronta del respiro di una malattia? È unico come un’impronta digitale? Per rispondere a questa domanda richiede uno sguardo più approfondito alla composizione molecolare del respiro.

Quando espiriamo, azoto, ossigeno, anidride carbonica, argon e vapore acqueo vengono rilasciati. L’alito umano contiene anche composti organici volatili (VOC) – sostanze chimiche organiche emesse come gas e ad alta pressione di vapore a temperatura normale. Il biochimico americano Linus Pauling, uno dei fondatori della moderna chimica quantistica e della biologia molecolare e destinatario del Premio Nobel per la chimica nel 1954, e il Premio Nobel per la pace del 1962, studiò 250 volatili del respiro umano usando un cromatogramma gas-liquido nel 1971. Pauling è ampiamente considerato come un pioniere nella moderna analisi del respiro. L’alito espirato contiene circa 3.500 componenti composti principalmente da VOC in piccole quantità secondo uno studio del 2011 pubblicato su ” Annals of Allergy, Asthma & Immunology “.

I VOC sono il fattore comune nel processo di smelling sia per gli analizzatori del respiro che per gli umani. Quando inspiriamo, il naso attira molecole di odore che tipicamente contengono sostanze chimiche volatili (facili da evaporare). Una volta che le molecole dell’odore contattano il tessuto epiteliale olfattivo che riveste la cavità nasale, si lega ai recettori olfattivi e invia un impulso elettrico a una struttura sferica chiamata glomerulo nel bulbo olfattivo del cervello. Ci sono circa 2.000 glomeruli vicino alla superficie del bulbo olfattivo. L’olfatto è l’interpretazione del cervello dei modelli odoranti rilasciati dal glomerulo. Il naso umano può rilevare un trilione di odori. Nel team di ricercatori di Haick, la nanotecnologia e l’apprendimento automatico sostituiscono il cervello biologico nel processo di odore.

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Il team di scienziati di Haick ha sviluppato un sistema, chiamato giustamente “NaNose”, che utilizza sensori basati sulla nanotecnologia addestrati a rilevare i composti organici volatili associati a malattie selezionate nello studio. NaNose ha due strati. Uno è un nanostrato inorganico con nanotubi e nanoparticelle d’oro per la conduttività elettrica. L’altro è uno strato di rilevamento organico con carbonio che controlla la resistenza elettrica dello strato inorganico in base ai VOC in entrata. La resistenza elettrica cambia a seconda dei VOC.

L’intelligenza artificiale (AI) viene utilizzata per analizzare i dati. Nello specifico, l’apprendimento approfondito viene utilizzato per identificare i pattern nei dati al fine di associare i segnali in ingresso con la firma chimica di specifiche malattie. Il sistema AI è stato quindi addestrato su più di 8000 pazienti in cliniche con risultati promettenti: il sistema ha rilevato un cancro gastrico con un’accuratezza del 92-94% in un test in cieco. I ricercatori hanno scoperto che “ogni malattia ha il suo respiro unico”.

Sono in corso sforzi per miniaturizzare e commercializzare la tecnologia innovativa sviluppata dal team di Haick in un progetto chiamato “SniffPhone”. Nel novembre 2018, la Commissione europea Horizon 2020 ha assegnato a SniffPhone il “2018 Innovation Award” per il “Progetto più innovativo”.

Si prevede che le opportunità di mercato per gli analizzatori respiratori medici aumenteranno. Entro il 2024, si prevede che il mercato degli analizzatori di respiro aumenterà a 11,3 miliardi di dollari a livello globale, secondo i dati pubblicati nel giugno 2018 da Grand View Research: il rilevamento di alcol ha la maggioranza delle entrate. Attualmente gli analizzatori del respiro vengono utilizzati per rilevare alcol, droghe e per diagnosticare l’asma e le condizioni gastroenteriche. Si prevede che le applicazioni cliniche aumenteranno grazie all’introduzione di “introduzione di tecnologie avanzate per rilevare l’ossido di azoto e il monossido di carbonio in respiro”, afferma la ricerca di Grand View. Secondo lo studio, il segmento delle applicazioni mediche dovrebbe crescere a causa della capacità degli analizzatori del respiro di rilevare composti organici volatili (VOC) che possono aiutare nella “diagnosi precoce delle malattie cardiopolmonari e del cancro al polmone e al seno”, e agire come ” biomarcatori per valutare le progressioni della malattia. ”

Applicando tecnologie innovative interdisciplinari nei campi dell’intelligenza artificiale, delle nanotecnologie e della chimica molecolare, la diagnosi di un’ampia varietà di malattie può essere semplice e non invasiva come un’analisi del respiro utilizzando un dispositivo portatile in un futuro non troppo lontano .

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Riferimenti

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