Phân tích hơi thở: Bước tiến mới trong phát hiện sớm COVID-19 và nhiều bệnh khác

Tiềm năng của công nghệ chẩn đoán bệnh không xâm lấn thông qua phân tích hơi thở

Theo ScitechDaily, mỗi hơi thở của con người giải phóng hơn 1.000 phân tử riêng biệt mang những dấu hiệu đặc trưng, thể hiện tình trạng bệnh bên trong cơ thể.

Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã cố gắng khai thác nguồn thông tin phong phú này, thử nghiệm, sử dụng khứu giác nhạy bén của chó, chuột và thậm chí cả ong để phát hiện các bệnh như ung thư, tiểu đường và lao.

Mới đây, nhóm nhà khoa học đa ngành từ Đại học Colorado Boulder và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ (NIST) đã thông báo một bước tiến quan trọng trong quá trình nghiên cứu phương pháp chẩn đoán bệnh bằng một loại máy phân tích hơi thở dựa trên tia laser hoàn toàn mới được hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo (AI). Thiết bị này có thể phát hiện COVID-19 trong thời gian thực với độ chính xác cao.

Trưởng nhóm nghiên cứu Qizhong Liang cho biết, phân tích hơi thở giúp chẩn đoán COVID-19 nhanh chóng, không xâm lấn, không phải xét nghiệm phức tạp. Bên cạnh đó, công nghệ này cũng rất tiềm năng trong chẩn đoán tình trạng nhiều bệnh khác nhau.

Trước đây, Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Mỹ (FDA) đã cấp phép sử dụng cho một loại máy phát hiện SARS-CoV-2 bằng hơi thở trong vòng chưa đầy 3 phút. Tuy nhiên, máy này chỉ khả dụng trong các cơ sở xét nghiệm được cấp phép với khả năng hạn chế - chỉ đánh giá 160 mẫu hơi thở mỗi ngày, không được sử dụng đại trà.

Từ năm 2008, phòng thí nghiệm của Giáo sư Jun Ye (đồng tác giả nghiên cứu) đã báo cáo một kỹ thuật gọi là quang phổ lược tần số. Về cơ bản, có thể hiểu là cách sử dụng ánh sáng laser để phân biệt phân tử này với phân tử khác - xác định dấu hiệu sinh học của bệnh trong hơi thở của con người.

Tuy nhiên, khi đó, công nghệ này thiếu độ nhạy và quan trọng hơn là khả năng liên kết các phân tử cụ thể với tình trạng bệnh còn thấp. Vì vậy, các nhà nghiên cứu chưa bao giờ thử nghiệm phương pháp này để chẩn đoán bệnh.

Nhưng đến nay, Giáo sư Jun Ye cùng các nhà khoa học khác đã khai thác sức mạnh của AI, cải thiện độ nhạy lên gấp hàng nghìn lần, cho phép phát hiện các phân tử vi lượng ở cấp độ phần nghìn tỉ.

Trưởng nhóm nghiên cứu Liang cho biết: "Các phân tử tăng hoặc giảm nồng độ liên quan đến tình trạng sức khỏe cụ thể. Trí tuệ nhân tạo máy học phân tích thông tin này, xác định các mẫu và phát triển các tiêu chí mà chúng tôi có thể sử dụng để chẩn đoán bệnh".

Từ tháng 5/2021 đến tháng 1/2022, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm khả năng chẩn đoán COVID-19 trên người của công nghệ mới này bằng cách thu thập các mẫu hơi thở của 170 sinh viên Đại học Colorado Boulder. Những người này đã thực hiện xét nghiệm PCR trong 48 giờ trước đó thông qua mẫu nước bọt hoặc dịch họng. Vì lý do an toàn, những người tham gia tình nguyện đã đến bãi đậu xe ngoài trời của khuôn viên trường, thổi túi lấy mẫu và để nó cho kỹ thuật viên phòng thí nghiệm đợi ở khoảng cách an toàn.

Quá trình này mất chưa đầy 1 giờ từ khi thu thập đến khi có kết quả. Khi so sánh với PCR - xét nghiệm COVID-19 tiêu chuẩn, kết quả máy phân tích hơi thở khớp đến 85%. Theo các nhà nghiên cứu, độ chính xác có thể sẽ cao hơn nếu các mẫu hơi thở và nước bọt/dịch họng được thu thập cùng một lúc.

Khác với xét nghiệm PCR phải lấy dịch họng bằng cách chọc sâu vào mũi, máy phân tích hơi thở không xâm lấn, cũng không yêu cầu hóa chất đắt tiền. Phương pháp này cũng có thể sử dụng cho những người bị mất ý thức.

Tiếp tục khám phá mối liên hệ giữa của hơi thở và sức khỏe

Tuy kết quả đạt được rất khả quan, Giáo sư Jun Ye cho biết, đây mới là bước đầu trong quá trình phát triển, hoàn thiện máy phân tích hơi thở. Ông nói: "Nếu bạn nghĩ về loài chó, chiếc mũi của chúng đã tiến hóa qua hàng nghìn năm để đánh hơi nhiều thứ khác nhau với độ nhạy đáng kinh ngạc. Chúng tôi mới chỉ bắt đầu huấn luyện "chiếc mũi laser" của mình. Càng đào tạo nhiều, nó sẽ càng trở nên thông minh hơn."

Bên cạnh đó, hiện tại, máy phân tích hơi thở có kích thước khá lớn, bao gồm một dãy phức hợp các tia laser và nhiều chiếc gương kết hợp với nhau. Nhóm tác giả đang nỗ lực "thu nhỏ" hệ thống này xuống quy mô của một con chip, cho phép theo dõi sức khỏe cá nhân theo thời gian thực khi đang di chuyển.

Tiềm năng của công nghệ này cũng sẽ không dừng lại ở COVID-19. Các nhà khoa học đang chuyển trọng tâm sang nhiều loại bệnh khác với hy vọng rằng máy phân tích hơi thở lược tần số có thể cách mạng hóa cách thức chẩn đoán y tế.

Đồng tác giả nghiên cứu, nhà sinh học phân tử Leslie Leinwand - Giám đốc khoa học của BioFrontiers cho biết nhóm của ông đang hướng tới chẩn đoán sớm bệnh ung thư từ những dấu hiệu trong hơi thở - trước cả khi người đó có triệu chứng - nhằm tăng hiệu quả điều trị bệnh.

Hiện nay, các nhà khoa học cũng đang phát triển Bản đồ hơi thở của con người, bao gồm từng phân tử trong quá trình con người thở ra và tương quan của chúng với kết quả sức khỏe.

Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu đang hợp tác với các chuyên gia nhi khoa và hô hấp tại Cơ sở Y tế Anschutz của Đại học Colorado để khám phá cách hơi thở "đưa ra gợi ý" về phản ứng miễn dịch, sự thiếu hụt dinh dưỡng và các yếu tố khác có thể ảnh hưởng đến tình trạng bệnh của cơ thể.