Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Сахарный диабет — нарушение метаболического гомеостаза, контролируемого инсулином, приводящее к нарушению углеводного и липидного обмена. По данным Международной диабетической федерации (International Diabetes Federation), около 537 миллионов человек в мире страдают хроническим аутоиммунным заболеванием эндокринной системы – сахарным диабетом. Согласно статистическим данным, к 2030 г. число пациентов увеличится до 643 миллионов, к 2045 г. – 783 миллионов человек в мире [1]. Сахарный диабет первого типа составляет всего около 10 % случаев диабета во всем мире, но все чаще встречается в раннем возрасте. Заболевание возникает в результате аутоиммунного разрушения β-клеток поджелудочной железы [2]. Таким образом возникает необходимость в разработке методов ранней неинвазивной диагностики по выделяемым биоматериалам человека, такие как слюна, выдыхаемый воздух человека и т. д. Выдыхаемый воздух человека состоит из более 1000 летучих органических соединений [3]. Некоторые летучие органические соединения являются молекулами-биомаркерами определенных заболеваний. К примеру, у здорового волонтера средняя концентрация ацетона находится в диапазоне 290...870 ppb; у пациентов с подтвержденным диагнозом диабета — превышает 1800 ppb [4, 5]. Средняя концентрация изопропанола 500ppb и более 2000 ppb соответственно [6]. Помимо существующего «золотого стандарта» газовой хроматографии с масс-спектрометрией, существует интерес к спектральному анализу многокомпонентных газовых смесей в инфракрасном диапазоне [7].
Экспериментальная установка основана на методе инфракрасной лазерной спектроскопии и предназначена для высокочувствительного спектрального многокомпонентных газовых смесей, в том числе состава выдыхаемого человеком воздуха (рис. 1). Установка состоит из двух основных модулей: модуля анализа излучения и модуля пробоподготовки и подачи пробы.
Модуль анализа излучения состоит из и инфракрасного квантово-каскадного лазера 1 и кадмий-ртуть-теллурового фотоприемника 6, охлаждаемого каскадом ячеек Пельтье. Квантово-каскадный лазер (LaserTune, Block Engineering) излучает в широком спектральном диапазоне перестройки 5,3...12,8 мкм в импульсном режиме с пиковой мощностью до 150 мВт. Фотоприемник CdHgTe обладает обнаружительной способностью D*~6-8·109 см·Гц1/2/Вт. Излучение от инфракрасного квантово-каскадного лазера попадает на светоделитель 3 и в отношении 20/80 делится, так что 20 % попадает на опорный фотоприемник 7, а 80 % в многоходовую газовую ячейку. Для достижения максимального оптического пути в 76 метров излучение направляется во входной зрачок кюветы под углом в 3° к нормали кюветы. Настройка максимального оптического пути в ячейке 5 осуществляется по паттерну пере отражений лазерного излучения видимого диапазона 8, настроенного соосно с квантово-каскадным лазером 1. После прохождения оптического пути в кювете лазерное излучение (порядка 20 % от входящего потока) выходит из выходного зрачка также под 3° и попадает на сигнальный фотоприемник 6 (рис. 1, а) [8].
Анализируемая проба выдыхаемого воздуха человека предварительно собирается в тедларовый пакет 12, который может герметично закрываться, и предназначен для кратковременных перевозок анализируемой воздушной пробы. Пакет 12 напрямую присоединяется к мембранному (нафионовому) осушителю 11, который с помощью двухконтурной прокачки азотом N2 13 осушает анализируемую пробу. Газовая кювета вакуумируется при помощи вакуумного насоса 9. Анализируемая проба подается с помощью двух регуляторов расхода газа 10 при постоянном контроле давления в газовой кювете (рис. 1, б) [9].
В рамках данного исследования были исследованы пробы выдыхаемого воздуха двух групп: здоровые волонтеры и пациенты с поставленным диагнозом диабет первого типа (рис. 2).
Исследование проводилось на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана и ГБУЗ Морозовская детская городская клиническая больница ДМЗ. Протокол исследования одобрен этическим комитетом Государственного бюджетного учреждения здравоохранения «Детская клиническая больница им. Морозова» Департамента здравоохранения города Москвы (Москва, Россия), №174 от 18 января 2022 г. Каждый участник исследования предоставил согласие на обработку персональных данных и заполнил анкету для сбора анамнеза.
Выдыхаемый воздух человека содержит более 1000 летучих молекул-биомаркеров. Надежность корректной диагностики заболеваний на ранней стадии повышается, в случае анализа пробы по совокупности молекул-биомаркеров. В данной работе были исследованы два биомаркера диабета первого типа: изопропанол и ацетон (рис. 3).
Видно (см. рис. 3), что концентрация веществ-биомаркеров у пациентов выше в отличие от здоровых волонтеров. Это свидетельствует о возможности применения подхода для ранней неинвазивной диагностики данного заболевания.
Современные методы машинного и глубокого обучения позволяют с высокой точностью классифицировать болезни как по широкому спектральному диапазону целиком, так и по концентрациям веществам-биомаркерам [10, 11].
