Можно ли поставить человеку диагноз, проанализировав химический состав его дыхания? Разработкой подобных методов диагностики сегодня занимаются в НИЯУ МИФИ. В фокусе внимания ученых- анализ выдыхаемого человеком воздуха с помощью инструментов спектрометрии ионной подвижности. О ходе этих исследований мы беседуем со старшим преподавателем и заведующим лабораторией кафедры микро- и наноэлектроники МИФИ Юлией Шалтаевой.

Ранее интервью с Юлией Шалтаевой вышло на портале Здрав.Эксперт

Последствия иприта

– Юлия Ринатовна, в чем стратегическая цель ваших исследований?

– Ещё со времён Авиценны известно, что если человек выдыхает какой-то аромат, можно сделать вывод о его здоровье. Наше кровообращение сообщается с лёгкими через альвеолы, все газообразные вещества переходят в лёгкие и дальше выдыхаются. Ещё по дыханию мы можем судить о биоте, о том, какие в ней микробы, о состоянии пищеварительной системы. Можно неинвазивно узнать, какое у человека состояние и даже настроение. Даже детекторы лжи используют иногда подобные технологии. А у нас есть большая мечта: вы приходите в поликлинику, дышите в прибор – и через 5 минут знаете, к какому врачу идти, и вам не нужно сдавать гору анализов. Технологии для этого становятся все лучше и лучше. После Первой мировой войны, в связи с угрозой химического оружия, началось активное развитие методов детекции газов, что позже привело к появлению спектрометрии ионной подвижности. Вот, тогда появилось два семейства приборов. Это спектрометры ионной подвижности (IMS) и масс-спектрометры (MS).

– Можно популярно – в чем их разница?

– Спектрометры позволяют делать анализ газов на воздухе, а масс-спектрометры — в вакууме. Они отличаются по размерам, спектрометры более миниатюрные за счёт того, что у них нет больших вакуумных насосов, но разрешающая способность у них обычно пониже. Спектрометры часто используют для прикладных целей, таких, как обнаружение взрывчатых или наркотических веществ в местах массового пребывания людей, например, в метро или на входе в крупную организацию. Я в МИФИ попала в команду, которая занимается спектрометрией, но у меня всегда был личный интерес, мне всегда были интересны медицина и биология и хотелось двигаться именно в этом направлении. И, конечно, очень долго стараюсь этот проект поднять, время от времени получаю какие-то гранты, в частности выигран конкурс «Умник», успешно реализованы различные коллаборации с коллегами по всему миру, много ездили на конференции, в общем, погружены в тематику по самые уши. К тому же наша кафедра №27 Микро - и наноэлектроники достаточно глубоко погружена в сенсорную технологию. На кафедре №81 Физики микро- и наносистем есть продукт Циклон-БИО для автоматического сбора аэрозольных частиц из воздуха и последующим определением состава и свойств аэрозольных загрязнений (http://www.kaf81mephi.ru/?page_id=1078 ), а коллеги с кафедры №10 – молекулярной физики занимаются разработкой   тандемного масс-спектрометра под руководством профессора Алексея Сысоева  (https://mephi.ru/press/news/24336 ). По большому счету у нас в МИФИ параллельно основному профилю существует большое сенсорное направление, и мы активно стараемся его двигать.

– Но сотрудниками МИФИ дело не заканчивается?

– Любой серьёзный проект должен опираться на специалистов разных профилей. Мы, например, сотрудничаем с замечательными специалистами из «Первого Меда» - МГМУ им. Сеченова. Это на самом деле уникальная история. Мы долго ходили, искали, где бы найти в Москве масс-спектрометр, пока «Первый Мед» смог приобрести свой собственный протон-трансферный масс-спектрометр и анализировать на нём.

– Неужели в Москве нет масс-спектрометров?

– Их огромное количество, но все они не подходят по уровню чувствительности. Дело в том, что вещества, которые мы анализируем, содержатся в выдохе в количествах от микрограммов до нано- и пикограммов, то есть в очень низких концентрациях. Причём это не значит, что вещества, которые содержится в малых количествах, нам не интересны, как раз они могут говорить о наличии различного рода заболеваний.

Юлия Шалтаева

От углеводородов до уксусной кислоты

– Но вообще какие вещества там могут быть?

– Самая распространённая аналитика по выдоху – на наличие тяжелых углеводородов. Есть исследования, позволяющие надеяться, что в будущем таким методом можно будет выявлять онкологические заболевания на ранних стадиях. В принципе, тяжелые углеводороды встречаются при разных заболеваниях – при хронической обструктивной болезни легких, при хронической сердечной недостаточности, наличие тяжелых углеводородов говорит, что есть отклонения в обмене веществ или ткани в достаточно больших объёмах подвергаются некрозу. В целом анализ газов, летучих органических соединений и жидкостей – это уникальное направление биомедицины, тут уже делались некоторые открытия нобелевского уровня, например, что тяжелые молекулы, включая пептиды и липиды, можно ионизировать и анализировать. Конечно, для таких приборов, как спектрометр ионной подвижности, это не всегда доступно, так как ионизация коронным разрядом является достаточно «жесткой ионизацией». Но если помечтать и немножко найти время и силы для исследований, то мы бы заменили способ ионизации. В нашей установке это сегодня коронный разряд. Для анализа биологических проб хорошо подходит небулайзер - так называемый электроспрей, но до этого пока руки не доходят.

– То есть, аппаратура может не все?

– Вообще работа инженера – это работа с проблемами. Здесь проблема заключается в том, что наш спектрометр заточен на то, чтобы анализировать сухой воздух, а выдох влажный, у него почти стопроцентная влажность, но понятное дело, как-то надо с этим справляться, и есть решение: можно присоединить к спектрометру хроматограф. Вот как раз сейчас я этим занимаюсь в ходе работы над диссертацией.

– Можно немного рассказать, что было обнаружено в ходе ваших исследований?

– Например, мы нащупали, что при хронической сердечной недостаточности, заболевании, которое достаточно сложно диагностировать на ранней стадии, в выдохе обнаруживается уксусная кислота, и за это можно зацепиться и расширять исследования в этом направлении. К сожалению, многие научные достижения в этой области часто коммерчески закрыты, но мы пока стараемся действовать в рамках открытой науки и предоставляем доступ к нашим открытиям.

– Сейчас главные ваши достижения связаны с разработкой аппаратуры или с изучением того, как и что она должна анализировать?

– На данный момент – ни то и ни другое. Главное наше достижение – то, что удалось собрать коллектив, который может решить эту задачу. Появились специалисты по отдельным аспектам этой комплексной проблемы – из Первого меда, и с кафедры допинга и наркоконтроля РХТУ им. Д.И. Менделеева, у нас появились свои химики и свои медики, и мы с ними активно работаем. С химиками мы, например, работаем над чем-то аналогичным таблице Менделеева, но для спектрометрии ионной подвижности, потому что у каждого вещества своя подвижность. Мы выявляем закономерности, характерные для разных классов соединений– кетонов, спиртов и так далее.

От затвора до гвоздя

– Можно популярно рассказать о том, как происходит анализ?

– У нас есть небольшой прибор, 2,5 килограмма весом, мы забираем воздух, или стир с поверхности, если это слаболетучие вещества, и помещаем в прибор, где уже находится источник ионизации, то есть пробу воздуха пробивает маленькая искра на расстоянии несколько миллиметров при высоком напряжении порядка 2−3 кВ. В результате образуются положительные и отрицательные ионы. Мы в одну операцию проверяем положительные, а потом, во вторую, отрицательные ионы.

– Как идёт проверка?

– У нас есть затвор, когда он открывается, то в постоянном электрическом поле одни ионы, более лёгкие, перемещаются быстрее, а тяжёлые – медленнее. На выходе у нас стоит чаша Фарадея, если упростить - это гвоздь, присоединённый к электродам, через него протекает ток, и мы можем замечать, когда прилетели ионы, в этот момент фиксируется пико-амперное изменение силы тока, сигнал отправляется на усилитель, далее на встроенный компьютер, а детектировать конкретное вещество удается, сверяя ионную подвижность с базой данных по уже известным веществам. Зная расстояние от источника ионов и электростатического затвора до чаши Фарадея и время пролета ионов, мы определяем их подвижность и идентифицируем вещество.

– Но база данных по веществам еще не собрана?

– Отчасти собрана, но по-моему, по медицинскому направлению – еще нет, собирать ее – часть нашей работы.

Что можно увидеть

– Такая методика может определить состав выдоха в точности до вещества или до группы веществ?

– В зависимости от условий мы можем порой определить до отдельного вещества, иногда до группы веществ. На самом деле группы веществ обычно определяют сенсоры, а у нас можно отдельное вещество, и более того, можно даже идентифицировать изомеры разных веществ, то есть молекулы, одинаковые по химическому составу, но разные по пространственной организации. А этого не могут даже масс-спектрометры, которые очень дорогие и массивные.

– В какой степени для такого метода определения важна доза? Если вещества слишком много, не будет ли путаницы?

– Дозировка, конечно, имеет значение. Если у нас большая концентрация, то может быть накопление веществ, образование облаков вещества и, соответственно, небольшое изменение динамики ионов. Это явление называют кластерными эффектами. Мы добиваемся их уменьшения за счет разбавления всей пробы осушенным воздухом. То есть, технология настолько чувствительна, что нам приходится понижать концентрацию веществ. При работе с высокочувствительным аналитическим оборудованием необходимо помнить, что при превышении концентрации вещества, можно перегрузить или загрязнить прибор, даже несмотря на встроенную систему очистки.

– Но ведь в реальной медицинской практике мы не знаем, какой будет выдох у человека, концентрированный или нет?

– Вообще, специфика человека и биологических объектов – как раз в этой некалиброванности, нестандартизованности. Вот мы взяли пробу дыхания, а там огромная порция ментола. Откуда? Ну, просто пациент зубы почистил, и еще мог слукавить, что не чистил. В идеале, за полчаса до анализа нужно перестать есть и курить.

– А также курить и чистить зубы?

– Ну да. В принципе, сначала берется «пристрелочный» выдох, и делается аналитика в целом, а потом еще дополнительные выдохи для того, чтобы сравнить с первым. Есть несколько референсных тестов для того, чтобы проанализировать и набрать статистику даже по одному отдельному пациенту. Также мы всегда снимаем фоновый спектр окружающего воздуха, а в некоторых исследованиях используем чистый воздух из балона, чтобы минимизировать посторонние вещества. Плюс еще у нас идет аналитика во времени, и в результате получаются, трехмерные аналитические фильмы: по первой оси координат развертка по времени пролета ионов в хроматографе, по второй оси развертка по времени их пролета в спектрометре и по третьей оси – концентрация вещества. Причем время пролета на этих осях мы калибруем по встроенной в прибор системе.

– А в диагностике вирусных инфекций ваш метод может помочь?

– Заболевания дыхательной системы, такие, как ковид, также можно определить. Для каждого заболевания есть свой индивидуальный профиль, включающий различные летучие органические вещества. Опубликован ряд статей коллег, которые как раз работали по этому направлению.

Что есть и что будет

– Сочетание спектрометра и хроматографа – это ваша уникальная разработка?

– Нет, это уже применяется в мире, но на самом деле каждая научная установка абсолютно индивидуальна. Она затачивается под конкретные задачи, под определенные заболевания.

– А вообще в мировой медицине уже практикуется анализ выдоха?

– В принципе, в мире практикуется детектирование с помощью сенсоров. В российских поликлиниках проводят такой анализ на сахарный диабет, на хеликобактер. То есть селективно на отдельные заболевания. Перспективность использования спектрометрии ионной подвижности заключается в том, что можно проводить массовый быстро действенный скрининг сразу на ряд заболеваний. Плюс можно анализировать не только выдох, но и другие выделения человека – кровь, мочу, пот, собственно, и т.д. Если человек употребляет наркотические вещества, то со временем их можно обнаружить в волосах, даже если он употреблял их несколько лет назад. Это буквально химическая капсула времени.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ