每次我們呼氣時，都會釋放出1000多種獨特的分子，形成特定的”呼吸印記”，這種化學特徵為了解我們身體的內部狀況提供了寶貴的線索。多年來，研究人員一直試圖利用這一信息財富，利用狗、老鼠甚至蜜蜂的敏銳嗅覺來檢測癌症、糖尿病和肺結核等疾病。

來自科羅拉多大學博爾德分校和美國國家標準與技術研究所（NIST）的科學家們在利用呼出的氣體診斷疾病的探索中取得了重要的飛躍，他們報告說，一種由人工智能（AI）驅動的新的基於激光的呼吸分析器可以實時檢測COVID-19，而且準確度極高。

該結果最近發表在《呼吸研究雜誌》上。

第一作者、JILA和中大博尔德分校物理系的博士生Qizhong Liang说：”我们的结果证明了呼吸分析作为COVID-19的替代性、快速、非侵入性测试的前景，并强调了其在诊断不同条件和疾病状态的显著潜力。”JILA是中大博尔德分校和NIST之间的一个合作项目。

這個由物理學家、生物化學家和生物學家組成的多學科團隊現在正將重點轉向廣泛的其他疾病，希望”頻率梳理呼吸分析器”–誕生於中大的諾貝爾獎技術–可以徹底改變醫療診斷。

資深作者、JILA研究員、中大博爾德分校物理學副教授Ye Jun說：”在一個真實的、可預見的未來，你可以去看醫生，讓醫生把你的呼吸和你的身高、體重一起測量……或者你可以向一個集成在你手機裡的口罩吹氣，並實時獲得有關你的健康信息。這一潛力是無窮的”。

誕生於COVID-19的合作

早在2008年，Ye的實驗室就報告說，一種叫做頻率梳理光譜的技術–基本上是利用激光來區分一個分子和另一個分子–有可能識別人類呼吸中的疾病生物標誌物。

該技術缺乏靈敏度，更重要的是缺乏將特定分子與疾病狀態聯繫起來的能力，因此他們從未對其進行診斷疾病的測試。但是團隊後來將靈敏度提高了一千倍，能夠檢測到萬億分之一水平的微量分子。他們還利用了人工智能的力量。

隨著SARS-CoV-2在全球範圍內肆虐，人們對現有測試的反應時間越來越長感到失望，是時候在人身上測試這個系統了。作為一名物理學家，Ye從未與人打過交道，因此他從CU的BioFrontiers研究所尋求幫助，這是一個跨學科的生物醫學研究中心，正在領導校園COVID測試項目。

國家科學基金會和國家衛生研究院資助了這項研究。

非侵入性、快速、無化學成分

在2021年5月至2022年1月期間，研究小組收集了170名中大博爾德分校學生的呼吸樣本，這些學生在過去48小時內通過提交唾液或鼻腔樣本進行了聚合酶鏈反應（PCR）測試。

一半測試結果為陽性，一半為陰性。(為了安全起見，志願者們來到一個室外的校園停車場，吹了一個樣本收集袋，然後把它留給了在安全距離等待的實驗室技術人員。）

這個過程從收集到結果花了不到一個小時。當與PCR（COVID測試的黃金標準）相比，呼吸測醉器的結果有85%的時間是吻合的。對於醫療診斷來說，80%或更高的準確性被認為是”優秀”。

研究人員懷疑，如果在同一時間收集呼吸和唾液/鼻拭子樣本，準確性可能會更高。與鼻拭子不同，呼氣式酒精檢測儀是非侵入性的。而且與唾液樣本不同的是，使用者在使用前不會被要求不進食、不喝酒、不吸煙。它不需要昂貴的化學品來分解樣本。而且，可以想像，這種新的測試可以用於沒有意識的人。

“通過一次呼吸，我們可以從你身上收集這麼多的數據點，但是然後呢？我們只了解少數分子與特定條件的相關性，”Ye說。

建立更小的呼吸分析器

今天，”呼吸分析器”由一個複雜的激光器和鏡子陣列組成，其大小與一張宴會桌差不多。

當激光器以數千種不同的頻率向它發射不可見的中紅外光時，呼吸樣本通過管道被送入。幾十個微小的鏡子將光在分子中來回反射，以至於最後，光走了大約1.5英里。

由於每種分子吸收光線的方式不同，具有不同分子構成的呼吸樣本會投下明顯的陰影。機器可以區分這些不同的陰影或吸收模式，在幾秒鐘內將數以百萬計的數據點歸結為–就COVID而言–簡單的陽性或陰性。

目前已經在努力將這種系統微型化，使其達到芯片的規模，從而實現梁氏所想像的”實時的、隨身的自我健康監測”。潛力還不止於此。

“如果你能在呼吸中找到一種特徵，在你出現症狀之前就能檢測出胰腺癌，那該怎麼辦？”分子生物學家和共同作者Leslie Leinwand說，他是BioFrontiers的首席科學官，也是該研究的共同作者。

在其他地方，科學家們正在努力開發人類呼吸圖譜，該圖譜描繪了人類呼出的每個分子，並將它們與健康結果聯繫起來。梁希望通過更大規模的呼吸樣本收集為這種努力作出貢獻。

同時，該團隊正在與加州大學安舒茨醫學校區的兒科和呼吸系統專家合作，探索呼吸分析器如何不僅能診斷疾病，還能使科學家更好地了解它們，提供有關免疫反應、營養缺乏和其他可能導致或加劇疾病的因素的提示。

“如果你想想狗，它們經過幾千年的進化，以非凡的敏感性聞到許多不同的東西，”Ye說。”我們只是在訓練我們基於激光的鼻子的最開始。我們教得越多，它就會變得越聰明。”