«Меня сводит с ума то, что пациентам, которые уже больны смертельными болезнями, мы втыкаем иглы в задницы, чтобы выяснить, есть ли рак простаты, хотя запах болезни уже распространяется и его могут уловить собаки», — говорит Андреас Мершин (Andreas Mershin), физик и соучредитель RealNose.ai, компании, разрабатывающей робот-нос для диагностики заболеваний по запаху (компания базируется в Бостоне, США Прим. Green.obob.tv).

Робототехнология выявления заболеваний по запаху необходима, поскольку  только относительно немногие люди обладают достаточно сильным обонянием, чтобы обнаружить вышеупомянутые характерные биохимические вещества, «пахучие» биомаркеры, которые появляются на ранних стадиях заболевания.

Джой Милн, как выяснилось, была одной из таких немногих людей. У неё наследственная гиперосмия – особенность, при которой её обоняние гораздо чувствительнее, чем у среднестатистического человека – своего рода суперобоняние.

При этом некоторые заболевания вызывают настолько сильный характерный запах, что и большинство людей могут его почувствовать. Например, дыхание или кожа людей с диабетом, переживающих приступ гипогликемии, могут иметь фруктовый запах, он же запах «гнилого яблока», из-за накопления в крови кислых веществ с фруктовым запахом, называемых кетонами. Они вырабатываются при метаболизме жира вместо глюкозы.

У людей с заболеваниями печени изо рта или мочи может исходить затхлый или сернистый запах , а если изо рта пахнет аммиаком или же присутствует «рыбный» или «похожий на мочу» аромат, то это может быть признаком заболевания почек.

Некоторые инфекционные заболевания также вызывают характерные запахи. Сладковатый запах кала может быть признаком заражения холерой или бактерией Clostridioides difficile, которая часто вызывает диарею, хотя одно исследование показало, что группа больничных медсестёр не смогла точно диагностировать заболевание у пациентов, анализируя их фекалии. Туберкулёз же может вызывать неприятный запах изо рта, напоминающий запах прокисшего пива, а также запах кожи, напоминающий запах мокрого коричневого картона и рассола. 

Однако для обнаружения других заболеваний требуется особый тип носа.

Например, обоняние у собак, как сообщается, в 100 000 раз сильнее человеческого. Ученые обучили собак выявлять у людей рак лёгких, молочной железы, яичников, мочевого пузыря и простаты. Например, в одном исследовании рака простаты собаки смогли обнаружить заболевание в образцах мочи с вероятностью 99 %. Собак также обучали выявлять ранние признаки болезни Паркинсона, диабета, начинающегося эпилептического припадка и малярии — и всё это исключительно по запаху.

Но не все собаки обладают необходимыми качествами, чтобы стать распознавателем болезней, и требуется время, чтобы обучить животных, которые способны на это. Некоторые учёные утверждают, что мы можем воспроизвести удивительные обонятельные способности собак, и такие специалисты, как Милн, в лабораторных условиях, возможно, предложат возможность получить простой мазок, который можно было бы отправить на анализ.

Профессор Барран в настоящее время задействует метод газовой хроматографии с масс-спектрометрией для анализа кожного сала (маслянистого вещества, вырабатываемого кожей) у пациентов с болезнью Паркинсона. Посредством газовой хроматографии соединения расщепляются, а затем уже посредством масс-спектрометрии их взвешивают. Всё это позволяет точно определить природу присутствующих молекул. Данный метод анализа запахов уже широко используется в пищевой, парфюмерной и пищевой промышленности.

По словам Барран, из примерно 25 000 соединений, обычно присутствующих на коже человека, около 3000 проявляются в специфичном виде у людей с болезнью Паркинсона.

«Сейчас мы сузили круг до примерно 30 таких соединений, которые действительно, действительно стабильно проявляются в специфичной форме у всех людей с болезнью Паркинсона»,- говорит професссор Барран.

По её словам, многие из этих соединений представляют собой липиды, или жиры, и длинноцепочечные жирные кислоты. Например, одно из ранних исследований было посвящено трём липидоподобным молекулам, связанным с запахом, вызываемым болезнью: гиппуровой кислоте, эйкозан и октадеканалю. Это логично, поскольку предыдущие исследования предполагают, что нарушение липидного обмена является отличительной чертой болезни Паркинсона.

«Мы обнаружили, что способность клеток транспортировать длинноцепочечные жирные кислоты в митохондрии нарушена у людей с болезнью Паркинсона. Следовательно, мы знаем, что в организме циркулирует больше этих липидов, и некоторые из них выводятся через кожу, и именно это мы и измеряем», — говорит Барран.

Сейчас команда ученых, в которой участвует Барран, разрабатывает простой мазок с кожи , который позволит выявить болезнь Паркинсона на ранних стадиях. В настоящее время врачи общей практики обычно направляют пациентов с симптомами, похожими на тремор, к неврологу, который затем ставит диагноз. Однако разработка новой методологии, над которой работает упомянутая команда ученых, может занять годы.

«Мы хотим разработать очень быстрый, неинвазивный тест, который позволит эффективно определить степень тяжести заболевания, чтобы пациент мог затем обратиться к неврологу, который затем оценит его состояние и скажет «да» или «нет»», — отмечает профессор Барран. 

Но почему болезни вообще влияют на запах нашего тела? Причина кроется в группе молекул, известных как летучие органические соединения (ЛОС). Чтобы оставаться живым, наш организм должен постоянно преобразовывать пищу и питье в энергию. Это происходит посредством серии химических реакций, происходящих в митохондриях – крошечных структурах в наших клетках, которые преобразуют сахара из пищи в энергию, доступную для использования организмом. В результате этих химических реакций образуются молекулы, известные как метаболиты, некоторые из которых летучи, то есть могут легко испаряться при комнатной температуре и, следовательно, потенциально улавливаться нашим носом. Затем ЛОС выводятся из организма.

«Если вы страдаете от инфекции, болезни или травмы, логично, что это повлияет на ваш метаболизм», — уточняет Брюс Кимбалл (Bruce Kimball), химик-эколог из Центра химических сенсоров Монелла (Monell Chemical Senses Centre), (некоммерческого) исследовательского института в Филадельфии, США.

И продолжает:

«Это изменение метаболизма прояляется в распределении метаболитов в разных частях вашего тела. Мы рассмотрели ряд вирусных и бактериальных инфекций, рак поджелудочной железы, бешенство. Список довольно длинный.

Я бы сказал, что, сравнивая со здоровым состоянием, мы очень редко не видим возможности отличить метаболиты при здоровом состоянии от того заболевания, которое нас интересует. Это довольно типично»…

Другими словами, наличие заболевания может изменить вырабатываемые ЛОС, изменив характерный запах нашего тела.

Но, что критично, многие изменения ЛОС, связанные с заболеваниями, слишком незначительны для того, чтобы люди могли их уловить, поэтому собаки или медицинские приборы, улавливающие запахи, могли бы помочь нам в будущем диагностировать некоторые серьезные, но трудно поддающиеся обнаружению заболевания.

Кимбалл, например, работает с коллегами над созданием теста для диагностики травм головного мозга у детей, занимающихся контактными видами спорта, на основе изменений в ЛОС, выделяемых их организмом.

В 2016 году Кимбалл вместе с коллегами опубликовали исследование, показывающее, что черепно-мозговые травмы у мышей вызывают характерный запах, и что других мышей можно научить чувствовать этот запах. В новой работе, которая скоро будет опубликована, Кимбалл наблюдал наличие специфических кетонов в моче человека в первые несколько часов после сотрясения мозга. Причина выделения пахучих веществ после таких травм неясна, но одна из теорий заключается в том, что мозг выделяет ЛОС в качестве побочного продукта в процессе самовосстановления.

«Класс кетонов, которые мы наблюдаем, позволяет предположить, что это как-то связано с попыткой доставить больше энергии в мозг, чтобы, возможно, бороться с травмой или, по крайней мере, способствовать восстановлению», — комментирует вышеописанный факт Кимбалл.

Для этого есть веские основания. Исследования показали, что кетоны могут служить альтернативными источниками энергии после черепно-мозговой травмы и, как считается, обладают нейропротекторными свойствами.

Запах тела также может выдать наличие у кого-то малярии. В 2018 году ученые обнаружили, что дети, инфицированные малярией, испускают особый запах через кожу, что делает их особенно привлекательными для комаров. Изучив образцы, полученные от 56 детей в западной Кении, команда выявила «фруктовый и травянистый» запах, который оказался неотразимым для летающих и кровососущих насекомых. Дальнейший анализ этих образцов выявил присутствие химических веществ, называемых альдегидами, в частности, гептаналя, октаналя и нонаналя, которые и ответственны за этот уникальный запах. Исследование может быть использовано для разработки нового теста на малярию. Сейчас ученые надеются воспроизвести указанный запах и использовать его в качестве приманки для ловли комаров, отвлекая их от населенных пунктов и деревень.

А упоминавшийся выше Андреас Мершин, бывший научный сотрудник Массачусетского технологического института, ныне работающий в RealNose.ai, говорит, что он и его команда надеются разработать устройство для обнаружения запахов, которое сможет определить рак предстательной железы — заболевание, от которого умирает каждый 44-й мужчина .

Андреас Мершин рассказывает, что компания RealNose.ai возникла в результате его 19-летних исследований в Массачусетском технологическом институте, когда Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) попросило ученого попробовать создать робот-нос, — нос, превосходящий по чутью собачий.

Робот-нос, разрабатываемый компанией RealNose.ai, использует настоящие обонятельные рецепторы человека, выращенные из стволовых клеток в лабораторных условиях. Рецепторы настроены на обнаружение множества молекул-пахучих веществ, связанных с раком простаты. Машинное обучение, одна из форм искусственного интеллекта, затем ищет закономерности в активации рецепторов.

«Однако недостаточно знать состав образца. Ингредиенты торта мало что говорят нам о его вкусе или запахе. Мы узнаём это только после того, как наши сенсоры взаимодействуют с этими летучими веществами, а мозг человека обрабатывает информацию и преобразует её в перцептивный (т.е. воспринимаемый сознанием) опыт. Мы ищем закономерности в сенсорной активации, которые ближе к тому, что делает наш разум, мозг человека», — говорит Мершин, комментируя работу по созданию робота-носа.

Тем временем Джой Милн теперь работает вместе с профессором Барран в ее исследовательской группе, помогая ей разрабатывать диагностический тест для болезни Паркинсона и других заболеваний.

«Мы больше не используем Джой Милн для обнаружения запахов. Она может сделать максимум 10 образцов в день, и это её истощает эмоционально. Ей 75 лет, так что она просто драгоценность», — комментирует профессор Барран.

Тем не менее, если бы искусственная технология, над которой работает Барран, а именно диагностический тест для болезни Паркинсона, смогла воспроизвести естественную способность Джой Милн по запаху обнаруживать болезнь Паркинсона на ранних стадиях, это стало бы настоящим наследием для Джой и Леса», говорилось в обзоре центральной англоязычной службы Британской вещательной корпорации BBC.

А теперь несколько фотографий главных персонажей, упомянутых в обзоре:

На фото из видео государственного Манчестерского университета (University of Manchester), в Великобритании: Джой Милн (Joy Milne) — женщина, нос которой может учуять болезнь Паркинсона до того, как та начинает проявляться. Теперь это научно доказано.

На фото с сайта государственного Манчестерского университета (University of Manchester), в Великобритании: Химик-аналитик, профессор Пердита Барран (Perdita Barran) из Манчестерского университета.