تشخیص بیماری ها از طریق آنالیز هوای بازدمی

استفاده از آنالیزهوای بازدمی برای تشخیص بیماری از اوایل دهه 1970 میلادی شروع شد، 3000 ترکیب آلی فرار در هوای بازدمی شناسایی شد و تغییر در غلظت هر کدام یا دسته ای از آن ها معرف یک بیماری خاص بود. آنالیز هوای بازدمی اصولا در آزمایشگاه های مجهز به دستگاه های کروماتوگرافی انجام می‌شود و به جزء الکل سنج ها، تنها تعداد کمی از حسگر ها به سطوح آمادگی و فناوری بالا برای ردیابی متابولیت ها در هوای بازدمی رسیده‌اند. بنابراین، توسعه حسگر های تنفسی برای شناسایی بیماری هایی که به تشخیص و روند درمان سریع نیاز دارند، مورد توجه دانشمندان در سراسر دنیا قرار گرفته که می تواند منجر به ایجاد یک فناوری نوظهور در سطح جهانی شود.

آنالیز هوای بازدمی یک فرآیند دو مرحله ای است: ابتدا باید مارکر های یک بیماری خاص هوای بازدمی شناسایی شوند و بعد یک حسگر یا روش دستگاهی برای شناسایی آن ها ایجاد شود.

این روش، یک ابزار تشخیصی غیر تهاجمی و نیمه کمی است و نسبت به دیگر نمونه های بیولوژیکی ( مانند بزاق، عرق، مدفوع و ادرار) که به صورت غیر تهاجمی جمع آوری میشه عملکرد بهتری دارد چون انتشار ترکیبات موجود در خون به آلوئول های ریه به عواملی مانند ثابت تفکیک، چربی دوستی، pH، میل ترکیبی با پروتئین و قابلیت یونیزاسیون بستگی ندارد و مکانیسم انتقال پیچیده ای ندارد.

ابزار های پوشیدنی می توانند حسگر های شیمیایی یا زیستی باشند که امکان آنالیز هوای بازدمی را در مدت زمان طولانی فراهم می کنند. با استفاده از این حسگر ها، امکان نمونه برداری و آنالیز به طور همزمان در محل مراقبت از بیمار وجود دارد.

نمونه ای از ابزار پوشیدنی به شکل ماسک صورت برای تشخیص پراکسید هیدروژن (یک نشانگر زیستی برای چندین بیماری تنفسی مانند آسم، بیماری مزمن انسدادی ریه و سرطان ریه) با سنجش الکتروشیمیایی و برای نظارت بر وضعیت تنفس (به عنوان مثال، سرعت تنفس، سرفه و حبس نفس) با ادغام یک سنسور فشار خود تغذیه، مورد بررسی قرار گرفته اند.

نمونه دیگر ماسک‌های صورت با حسگر CRISPR لیوفیلیزه هستند که می‌توانند نوکلئیک اسیدهای SARS-CoV-2 را با استفاده از سنجش‌های جریان جانبی معمولی شناسایی کنند

آرایه حسگر رنگی نیز برای شناسایی بیماران مبتلا به کووید-19 و تعیین شدت بیماری آن ها استفاده شده است.

استفاده از ابزار های پژوهشی برای آنالیز هوای بازدمی با چالش های زیر روبرو است:

حدود 3500 مارکر برون زا در هوای بازدمی وجود دارند که که به طور فیزیولوژیکی تولید نمی شوند و مرتبط با تغییرات سن، رژیم غذایی، مصرف سیگار و دارو، و همچنین سرعت جریان بازدم هستند. بنابراین، حساسیت ابزار های پوشیدنی باید بالا باشد تا بتواند مارکر خاص یک بیماری را شناسایی کند.
به منظور افزایش حساسیت ابزار های پوشیدنی می توان از روش های زیر استفاده کرد:
استفاده از یک سیستم میکروسیال برای پیش تغلیظ نمونه
تلفیق حسگر با پذیرنده های زیستی مصنوعی
افزایش واکنش پذیری آنالیت با پیش تصفیه شیمیایی یا تشکیل مزدوج های آنالیت – نانوذره
نسبت نسبی آنالیت ها با انتخاب بخش تنفس (نفس دیررس یا انتهایی)، الگوهای تنفسی، آلودگی نمونه (مثلاً با بزاق)، نحوه جمع آوری نمونه (مداوم یا خارج از خط گسسته) و فاز نمونه (بخار (گاز) یا میعانات) تغییر می کند. بنابراین، مطالعات طراحی پوشیدنی سرتاسر باید یک استراتژی جمع‌آوری نمونه را انتخاب کند که امکان دسترسی مداوم به وضعیت فیزیولوژیکی را فراهم کند.
ماسک‌های یکبار مصرف می‌توانند نمونه‌برداری، آماده‌سازی نمونه (در صورت نیاز) و فرآیند حس کردن را یکپارچه کنند.
می‌توان از چسب‌های زیر یا داخل بینی، یا ایمپلنت‌هایی که روی دستگاه تنفسی نصب شده‌اند (احتمالاً با استفاده از متابولیت‌هایی مانند لاکتات یا گلوکز، خود به خود کار می‌کنند) استفاده کرد