Un analyseur de souffle AI innovant diagnostique les maladies par «odeur»

Intelligence artificielle, nanotechnologie et chimie moléculaire se croisent.

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Imaginez pouvoir savoir si vous êtes atteint de la maladie de Parkinson, de la sclérose en plaques, de l’insuffisance hépatique, de la maladie de Crohn, de l’hypertension artérielle pulmonaire, de la néphropathie chronique ou de nombreux cancers, sur la base d’un test simple et non invasif de votre respiration. Les analyseurs d’haleine pour détecter l’alcool sont utilisés depuis plus d’un demi-siècle. Pourquoi ne pas appliquer le même concept pour détecter des maladies? Une équipe mondiale de scientifiques provenant d’universités situées en Israël, en France, en Lettonie, en Chine et aux États-Unis a mis au point un système d’intelligence artificielle (IA) permettant de détecter 17 maladies de l’haleine expirée avec une précision de 86%.

L’équipe de recherche dirigée par le professeur Hassam Haick de l’Institut de technologie Technion-Israël a recueilli des échantillons d’haleine de 1404 sujets ne présentant aucune maladie (témoin sain) ou l’une de 17 maladies différentes. Les maladies comprennent: cancer du poumon, cancer colorectal, cancer de la tête et du cou, cancer de l’ovaire, cancer de la vessie, cancer de la prostate, cancer du rein, cancer gastrique, maladie de Crohn, colite ulcéreuse, syndrome du côlon irritable, maladie de Parkinson idiopathique, maladie de Parkinson atypique, sclérose en plaques, hypertension pulmonaire, toxémie pré-éclampsie et maladie rénale chronique.

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Le concept est relativement simple: identifier les empreintes de maladies des maladies et les comparer à l’expiration humaine. Ce qui le rend compliqué, c’est l’exécution du concept. Par exemple, comment identifier l’empreinte respiratoire d’une maladie? Est-ce unique comme une empreinte digitale? Répondre à cette question nécessite un examen plus approfondi de la composition moléculaire du souffle.

Lorsque nous expirons, de l’azote, de l’oxygène, du dioxyde de carbone, de l’argon et de la vapeur d’eau sont libérés. L’haleine humaine contient également des composés organiques volatils (COV) – produits chimiques organiques émis sous forme de gaz et dont la pression de vapeur est élevée à température normale. Le biochimiste américain Linus Pauling, l’un des fondateurs de la chimie quantique moderne et de la biologie moléculaire, récipiendaire du prix Nobel de chimie de 1954 et du prix Nobel de la paix de 1962, a étudié en 1971 250 volatils de l’haleine humaine à l’aide d’un chromatogramme gaz-liquide. largement considéré comme un pionnier de l’analyse du souffle moderne. Selon une étude de 2011 publiée dans « Annals of Allergy, Asthma & Immunology », l’haleine exhalée contient environ plus de 3 500 composants, composés pour la plupart de COV.

Les COV sont le facteur commun dans le processus d’odorisation des analyseurs d’haleine et des humains. Lorsque nous inspirons, le nez aspire des molécules d’odeur qui contiennent généralement des produits chimiques volatils (faciles à évaporer). Une fois que les molécules odorantes sont en contact avec le tissu épithélial olfactif qui tapisse la cavité nasale, il se lie aux récepteurs olfactifs et envoie une impulsion électrique à une structure sphérique appelée glomérule dans le bulbe olfactif du cerveau. Il y a environ 2 000 glomérules près de la surface du bulbe olfactif. L’odorat est l’interprétation par le cerveau des schémas odorants libérés par le glomérule. Le nez humain peut détecter un billion d’odeurs. Dans l’équipe de chercheurs de Haick, la nanotechnologie et l’apprentissage automatique remplacent le cerveau biologique dans le processus odorant.

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L’équipe de scientifiques de Haick a développé un système, appelé à juste titre «NaNose», qui utilise des capteurs basés sur la nanotechnologie formés pour détecter les composés organiques volatils associés à certaines maladies de l’étude. NaNose a deux couches. L’une est une nanocouche inorganique avec des nanotubes et des nanoparticules d’or pour la conductivité électrique. L’autre est une couche de détection organique avec du carbone qui contrôle la résistance électrique de la couche inorganique en fonction des COV entrants. La résistance électrique change en fonction des COV.

L’intelligence artificielle (IA) est utilisée pour analyser les données. En particulier, l’apprentissage en profondeur est utilisé pour identifier des modèles dans les données afin de faire correspondre les signaux entrants avec la signature chimique de maladies spécifiques. Le système d’IA a ensuite été formé sur plus de 8 000 patients dans des cliniques avec des résultats prometteurs: le système a détecté un cancer gastrique avec une précision de 92 à 94% dans un test en aveugle. Les chercheurs ont découvert que «chaque maladie avait son propre empreinte respiratoire».

Des efforts sont en cours pour miniaturiser et commercialiser la technologie innovante développée par l’équipe de Haick dans le cadre d’un projet appelé «SniffPhone». En novembre 2018, Horizon 2020 de la Commission européenne a décerné au SniffPhone le «Prix de l’innovation 2018» pour le «Projet le plus innovant».

Les débouchés pour les analyseurs d’haleine médicaux devraient se développer. D’ici 2024, le marché des analyseurs d’haleine devrait atteindre 11,3 milliards USD dans le monde, selon les chiffres publiés en juin 2018 par Grand View Research. La détection de l’alcool représente la majorité des revenus. Actuellement, les analyseurs d’haleine sont utilisés pour détecter l’alcool et les drogues, ainsi que pour diagnostiquer l’asthme et les troubles gastro-intestinaux. Les applications cliniques devraient augmenter en raison de l’introduction de «l’introduction de technologies de pointe pour détecter l’oxyde nitrique et le monoxyde de carbone dans l’haleine», déclare Grand View Research. Selon l’étude, le segment des applications médicales devrait croître en raison de la capacité des analyseurs d’haleine à détecter les composés organiques volatils (COV) pouvant aider au «diagnostic précoce de maladies telles que les maladies cardiopulmonaires et le cancer du poumon et du sein», et agir comme « biomarqueurs pour évaluer l’évolution de la maladie. ”

En appliquant des technologies innovantes interdisciplinaires issues des domaines de l’intelligence artificielle, des nanotechnologies et de la chimie moléculaire, le diagnostic d’une grande variété de maladies peut être aussi simple et non invasif qu’une analyse d’haleine utilisant un appareil portatif dans un avenir pas si lointain .

Copyright © 2019 Cami Rosso Tous droits réservés.

Références

Nakhleh, Morad K., Amal, Haitham, Jeries, Raneen, Broza, Yoav Y., Aboud, Manal, Gharra, Alaa, Ivgi, Hodaya, Khatib, Salam, Badarneh, Shifaa, Har-Shai, Lior, Verre-Marmor, Lea, Lejbkowicz, Izabella, Miller, Ariel, Badarny, Samih, Winer, Raz, Finberg, John, Cohen-Kaminsky, Sylvia, Perros, Frédéric, Montani, David, Girerd, Barbara, Garcia, Gilles, Simonneau, Gérald, Nakhoul, Gérald Farid, Baram, Shira, Salim, Raed, Hakim, Marwan, Gruber, Maayan, Ronen, Ohad, Marshak, Tal, Doweck, Ilana, Nativ, Ofer, Bahouth, Zaher, Shi, Da-vous, Zhang, Wei, Hua, Qing-ling, Pan, Yue-yin, Tao, Li, Liu, Hu, Karban, Amir, Koifman, Eduard, Rainis, Tova, Skapars, Roberts, Armand, Ancans, Guntis, Liepniece-Karele, Inta, Kikuste, Ilze, Lasina, Iev, Tolmanis, Ivars, Johnson, Douglas, Millstone, Stuart Z., Fulton, Jennifer, Wells, John W., Wilf, Larry H., Humbert, Mar, Leja, Marcis, Peled, Nir, Haick, Hossam. “Diagnostic et classification de 17 maladies de 1404 sujets via l’analyse de modèle de molécules expirées.” ACS Nano. DOI: 10.1021 / acsnano.6b04930. Novembre 2017.

Scudellari, Megan. “Alcootest distingue parmi 17 maladies à la fois.” IEEE Spectrum . 5 janvier 2017.

Lawal, Oluwasola, Ahmed, Wagar, M., Nijsen, Tamara, ME, Goodacre, Royston, Fowler, Stephen J. «Analyse du souffle inspiré: examen des méthodes« à couper le souffle »pour l’analyse hors ligne.» Métabolomics . 19 août 2017.

Shirasu, Mika, Touhra, Kazushige. “L’odeur de la maladie: composés organiques volatils du corps humain liés à la maladie et au désordre.” The Journal of Biochemistry. 1er septembre 2011.

Le prix Nobel. “Linus Pauling.” Récupéré le 29/01/2019 à l’adresse https://www.nobelprize.org/prizes/peace/1962/pauling/facts/

Pauling, Linus, Robinson, Arthur B., Teranishi, Roy et Cary Paul. “Analyse quantitative de la vapeur et du souffle de l’urine par chromatographie de séparation gaz-liquide.” PNAS . Octobre 1971.

Phillips, Michael. “Tests respiratoires en médecine.” Scientific American. Juillet 1992.

Popov, Todor A. «Analyse de la respiration humaine expirée.» Annals of Allergy, Asthma & Immunology. 22 janvier 2011.

Bushak, Lecia. «Comment le nez sent-il? Le fonctionnement interne de notre odorat. ” Medical Daily. 5 mars 2015.

Williams, Sarah CP «Le nez humain peut détecter un billion d’odeurs.» Science. 20 mars 2014.

SniffPhone. »SniffPhone remporte le prix de l’innovation 2018», extrait de https://www.sniffphone.eu/.

Recherche Grand View. «Rapport d’analyse de la taille, de la part et des tendances du marché des analyseurs d’haleine par technologie (pile à combustible, capteur à semi-conducteur, spectroscopie infrarouge), par application (détection de l’alcool, médical) et prévisions par segment, 2018 – 2024.» Juin 2018. Extrait de https: / /www.grandviewresearch.com/industry-analysis/breath-analyzer-market