حسگر تنفس دستی ETH زوریخ، نشانگر چربی سوز استون را تقریباً با دقت طیف سنجی جرمی آزمایشگاهی تشخیص می دهد.

یک آنالایزر تنفس دستی که در ETH زوریخ ساخته شده است می تواند با خواندن سیگنال یک بازدم متوجه شود که آیا بدن شما به طور فعال چربی می سوزاند یا خیر. بر اساس مطالعه‌ای که در 22 ژوئیه در مجله Device منتشر شد، این دستگاه استون – محصول فرّار تجزیه اسیدهای چرب – را اندازه‌گیری کرد و در یک آزمایش کوچک به دقت طیف‌سنجی جرمی در آزمایشگاه نزدیک شد.

مرحله ساده است. در یک لوله کوچک ضربه بزنید، در زمان واقعی مطالعه کنید که آیا در کتوز هستید یا خیر، از آزمایش خون با انگشت خود صرف نظر کنید و هفته‌ها منتظر بمانید تا ترازو حمام پایین بیاید.

این که آیا این مرحله از تماس با جمعیت بزرگتر بیمار جان سالم به در می برد یا خیر، سوال دیگری است.

آنچه استون در مورد متابولیسم نشان می دهد

وقتی بدن فاقد گلوکز باشد – در طول روزه داری، رژیم های کم کربوهیدرات یا ورزش طولانی مدت – شروع به تجزیه اسیدهای چرب برای سوخت می کند. این فرآیند اجسام کتونی تولید می کند که یکی از آنها استون است. مقداری از این استون از جریان خون به ریه ها پخش می شود و هنگام بازدم از بدن خارج می شود.

غلظت آن کوچک است و بر حسب بخش در میلیون یا کمتر اندازه گیری می شود، بنابراین آزمایشگاه های بالینی در طول تاریخ به خون گیری یا تجهیزات تخصصی برای نظارت قابل اعتماد کتوز متکی بوده اند.

سطح کتون خون را می توان با آزمایش انگشت خراش اندازه گیری کرد، اما این برای نظارت مکرر تهاجمی و غیر عملی است. آندریاس گونتنر، پروفسور حسگرهای مولکولی در ETH زوریخ و نویسنده ارشد این مطالعه، بیش از یک دهه را صرف ساخت حسگرهای گازی کرده است که به اندازه کافی حساس هستند تا استون را مستقیماً از نفس به عنوان جایگزینی کمتر دردناک بخوانند.

به عبارت دیگر، نفس کشیدن پنجره کمتر دردناکی به سوی همان بیوشیمی است.

نحوه کار دستگاه

حسگر تیم زوریخ در یک دستگاه دستی متصل به یک برنامه گوشی هوشمند قرار دارد. این برنامه کاربر را از طریق بازدم کنترل‌شده آموزش می‌دهد – سرعت جریان و مدت زمان مهم است، زیرا ترکیب نفس بسته به اینکه چقدر عمیق و آهسته نفس می‌کشد تغییر می‌کند.

در داخل دستگاه، یک فیلتر کاتالیزوری و مرحله جداسازی استون را از بقیه مخلوط بازدمی (بخار آب، دی اکسید کربن، اتانول و صدها ماده فرار دیگر) قبل از رسیدن به حسگر جدا می‌کند. انتخاب بخش سخت در تجزیه و تحلیل نفس است. آلایزرهای کتون مصرفی اغلب به دلیل واکنش متقابل با ترکیبات نامرتبط و خارج از کالیبراسیون مورد انتقاد قرار می گیرند.

نمونه اولیه به عنوان Nutrion توسط Alivion AG تجاری سازی شده است، که یک اسپین آف از ETH Zurich است، که در آن گونتنر و یکی از نویسندگان جان ون دن بروک سهام دارند. ETH Zurich دارای حق امتیاز فناوری اساسی است.

اعتبار سنجی و حدود آن

این تیم این دستگاه را بر روی 12 فرد بزرگسال سالم آزمایش کرد و آنها را در معرض ورزش و تغییرات رژیم غذایی قرار داد – ورزش سبک و شدید، رژیم کتوژنیک پرچرب و روزه داری – که طراحی شده بود تا آنها را به داخل و خارج از حالت های چربی سوزی سوق دهد. در 312 نمونه تنفسی با غلظت استون از 0.2 تا 45 قسمت در میلیون، قرائت های دستی با طیف سنجی جرمی زمان پرواز واکنش انتقال پروتون یا PTR-MS، استاندارد مرجع برای تجزیه و تحلیل گاز ردیابی در بازدم مقایسه شد.

دو روش تطابق قوی نشان دادند. هنگامی که هر دو دستگاه تنفس یکسان را به طور همزمان اندازه‌گیری کردند، خوانش‌های دستی با PTR-MS حدود 7.5 درصد در 2 ppm متفاوت بود – به اندازه‌ای دقیق که تغییرات ظریفی را که تغییر از سوزاندن کربوهیدرات‌ها به سوزاندن چربی را نشان می‌دهد، تشخیص داد.

حجم نمونه کوچک است—نوعی عددی که اثبات مفهوم را در یک محیط آکادمیک کنترل شده ایجاد می کند، اما هنوز به سؤالات مربوط به استفاده در دنیای واقعی پاسخ نمی دهد: نحوه عملکرد دستگاه در سنین مختلف، ترکیبات بدن، وضعیت های بیماری، داروها و الگوهای غذایی. همچنین مشخص نشده است که چگونه در شرایط مرطوب و فرار حمام یا سالن بدنسازی مقاومت می کند. توسعه دهندگان خاطرنشان می کنند که دستگاه هنوز به عنوان یک ابزار تشخیصی برای استفاده بالینی تأیید یا تأیید نشده است.

تحقیقات نشانگرهای زیستی دارای سابقه طولانی در نتایج اولیه امیدوارکننده است که با افزایش مقیاس کارآزمایی ها کاهش می یابد. تحلیلی در Nature Reviews Drug Discovery استدلال می‌کند که اعتبارسنجی در میان جمعیت‌های مختلف، نه توافق اولیه با یک روش آزمایشگاهی، چیزی است که در نهایت تعیین می‌کند که آیا یک نشانگر از نظر بالینی مفید است یا خیر.

چرا بازخورد چربی سوزی یک هدف بزرگ مصرف کننده است

جذابیت رژیم های غذایی آشکار است. بازخورد سنتی کاهش وزن – ترازو، متر، آینه – تغییرات متابولیک واقعی را روزها یا هفته ها عقب می اندازد و با احتباس آب، تغییرات گلیکوژن و افزایش عضله مخدوش می شود. دستگاهی که در عرض چند دقیقه سیگنال می دهد که آیا تمرین یا وعده غذایی بدن را به سمت اکسیداسیون چربی سوق داده است، چیزی نزدیک به بازخورد فوری است.

جامعه رژیم غذایی کتوژنیک سال ها تقاضا برای نظارت بر کتون در خانه را افزایش داده است. دستگاه‌های اندازه‌گیری کتون خون وجود دارند، اما نیاز به لانست و نوار دارند. نوارهای ادرار ارزان هستند اما زبر هستند و با سازگاری بدن با کتوز طولانی مدت دقت خود را از دست می دهند.

نفس بین این رویکردها می نشیند. این آزمایش مانند آزمایش ادرار غیر تهاجمی است، اما به طور بالقوه به اندازه خون دقیق است – اگر شیمی حسگر ادامه یابد.

زاویه بالینی فراتر از کاهش وزن

کتوز دارای پیامدهای پزشکی و زیبایی است. افراد مبتلا به دیابت نوع 1 می توانند به کتواسیدوز دیابتی مبتلا شوند، یک وضعیت تهدید کننده زندگی زمانی که انسولین کاهش می یابد و کتون ها به جریان خون سرازیر می شوند. نظارت بر تنفس سریع و بدون درد در اصل می تواند به بیماران کمک کند تا زودتر از زمانی که آزمایش خون به طور معمول اجازه می دهد، افزایش خطرناک کتون را تشخیص دهند.

رژیم‌های کتوژنیک نیز از نظر بالینی برای صرع مقاوم به دارو تجویز می‌شوند، به‌ویژه در کودکانی که پایبندی به رژیم غذایی در حال حاضر برای نظارت مناسب نیست. تیم ETH در حال کار با بیمارستان کودکان دانشگاه زوریخ است تا آزمایش کند که آیا یک دستگاه دستی می‌تواند به کودکانی که تحت درمان کتوژنیک هستند کمک کند تا وضعیت متابولیک آنها را راحت‌تر کنترل کنند. محققان متابولیک که فیزیولوژی چاقی، روزه‌داری و ورزش را مطالعه می‌کنند نیز از روشی برای نمونه‌برداری از سینتیک کتون بیشتر از آنچه که خون‌گیری‌های مجزا اجازه می‌دهد، سود خواهند برد.

هیچ یک از اینها بدون موانع نظارتی انجام نمی شود. دستگاهی که صرفاً به عنوان ردیاب سلامتی به بازار عرضه می شود با یک سری قوانین روبرو است. دستگاهی که برای مدیریت دیابت یا نظارت بر صرع به بازار عرضه می‌شود، با راه بسیار شیب‌دارتری برای تایید مواجه است. در ایالات متحده، FDA به دنبال اطلاعات عمومی در مورد نحوه برخورد با نرم‌افزارهای خارج از دستگاه و سایر فناوری‌های بهداشتی مرتبط است که بخشی از یک ارزیابی مجدد گسترده‌تر از محل قرارگیری ابزارهای سلامت مصرف‌کننده در نقشه نظارتی است.

بعد چه چیزی را تماشا کنیم

تیم سازنده Nutrion به مطالعات اعتبارسنجی بزرگتر به عنوان گام بعدی اشاره کرد. سؤالات کلیدی عبارتند از اینکه آیا دقت دستگاه در افراد مبتلا به دیابت حفظ می‌شود، آیا می‌تواند کتوز ناشی از ورزش را از کتوز رژیمی متمایز کند و آیا پروتکل تنفسی هدایت‌شده با گوشی هوشمند خارج از تنظیمات تحقیقاتی کنترل‌شده به‌طور قابل اعتمادی کار می‌کند یا خیر.

فاصله بین کمی تجربه دانشگاهی و قفسه داروخانه بیشتر از چیزی است که به نظر می رسد. آزمایش الکل در تنفس کاربران چندین دهه طول کشید تا به اندازه کافی برای استفاده قانونی قابل اعتماد شود، و تجزیه و تحلیل کتون تنفس مسلماً یک مشکل تحلیلی دشوارتر است زیرا غلظت هدف کمتر و ترکیبات تداخلی بیشتر است.

تا کنون، کار ETH زوریخ چیزی محدودتر، اما همچنان قابل توجه است: یک حسگر دستی می تواند، تحت شرایط کنترل شده، متابولیسم چربی را در زمان واقعی با دقتی نزدیک به یک ابزار آزمایشگاهی ردیابی کند. بقیه مهندسی، اپیدمیولوژی و مستندسازی است.