В настоящее время существует множество методов диагностики заболеваний и у медицины на вооружении находятся все достижения современной науки. Люди с древних времен могли определять здоровье по цвету кожи, состоянию волос и ногтей. Сегодня благодаря стремительному развитию технологий постановка диагноза осуществляется все проще, но зачастую врачам необходимо применять методы, проверенные столетиями. Важным фактором в определении ряда патологий является запах больного. Среди таких заболеваний выделяют сахарный диабет, лейциноз, фенилкетонурию, почечную и печеночную недостаточность, онкологию и т.д.
Еще в древних трактатах есть упоминания взаимосвязи болезни и запаха тела человека, например у Гиппократа, который связывает запахи тела, включая запах пота, слюны, мокроты и мочи с наличием различных заболеваний (400 г. до н.э.), в древнеиндийском трактате на санскрите «Сушрута самхита» (350 г. до н.э.) [1].
Наука, изучающая запахи и их влияние на организм, называется одорологией, интерес и внимание к которой возросли в последние годы и стали особенно актуальны в связи с пандемией коронавирусной инфекции COVID-19.
Метаболические процессы, происходящие в организме, определяются тысячами летучих органических соединений (ЛОС), которые оказывают влияние на запах тела человека. Учеными установлено, что ряду болезней или психоэмоциональных состояний соответствует определенный состав ЛОС [1].
Цель исследования: оценка и обобщение литературных сведений, имеющихся в научных базах данных, в качестве аккумуляции сведений о диагностике заболеваний человека с помощью обонятельной функции врачей, натренированных животных, в частности собак, и о применении современных инструментальных методов диагностики.
Материал и методы исследования
Предметом данного обзора являлось изучение применения одорологии в качестве первичной диагностики «пахнущих» заболеваний.
При подготовке материалов применялись такие методы исследования, как семантический анализ [2] и «текст-майнинг» [3].
Результаты исследования и их обсуждение
У больного с сахарным диабетом в состоянии, когда уровень сахара поднимается до критического уровня, образуются токсические органические вещества, называющиеся кетонами. В выдыхаемом больным воздухе ощущается запах ацетона, а от кожи - цитрусовых или ананаса. Интенсивность запаха колеблется в зависимости от уровня сахара в крови. Могут возникать сильные боли в животе, имитирующие острое хирургическое заболевание [4].
Лейциноз, или болезнь кленового сиропа, впервые описана в 1954 г. Menkes. В основе заболевания лежит патология, связанная с отсутствием дегидрогеназы кетокислот с разветвленной углеродной цепью, вследствие этого происходит нарушение обмена аминокислот, в результате чего в плазме, спинномозговой жидкости, моче накапливаются лейцин, изолейцин, валин, а также их производные [5].
Нежный запах жасмина, с которым хорошо знакомы и который всегда настораживает хирургов, характерен для нагноительных процессов, вызванных синегнойной палочки. Также раны, инфицированные P. aeruginosa, могут иметь запах сладкой карамели с аммиаком, способный вызывать отчетливые рвотные позывы [6].
Сладковатый, медовый аромат тела является следствием присутствия в организме синегнойной палочки, вызывающей ряд болезней, таких как болезни дыхательных путей, отиты, воспаление лицевых пазух, абсцессы и гнойные процессы в ранах, менингиты [6].
Больные шизофренией имеют свой специфический кислотный запах, который появляется из-за биохимических изменений в организме, структуре нервной ткани, из-за соотношения нарушений гормонов и нейромедиаторов. Определена химическая структура запаха - это присутствующая в поте транс-3метил-2-гексеновая кислота. Чем выше концентрация кислоты, тем сильнее запах и хуже прогноз [7].
У больных при стенозах привратника рубцовой или раковой природы появляется по утрам отрыжка с запахом тухлых яиц (сероводорода), образующимся при разложении белков в застойном желудочном содержимом [4].
Фенилкетонурия (ФКУ) - наследственное нарушение метаболизма аминокислот, в частности фенилаланина, которое характеризуется наличием специфического «мышиного» запаха, исходящего от больного [8].
Брюшной тиф, как известно, является следствием бактериальной инфекции, вызванной бактериями Salmonella typhi, и отличается присутствием характерного запаха свежевыпеченного хлеба [8].
Болезнь Паркинсона является вторым по распространенности нейродегенеративным заболеванием, и его распространенность, по прогнозам, будет удваиваться в течение каждых последующих 30 лет. Точная диагностика болезни Паркинсона остается сложной задачей даже для современных врачей и ученых. Болезнь Паркинсона эволюционирует от клинической до диагностической сущности, для которой возможна более ранняя идентификация, распознаются различные подтипы с различным прогнозом и разрабатываются новые модифицирующие заболевание методы лечения [9]. При болезни Паркинсона у человека появляется характерный едкий запах, напоминающий мускус. Это связано, прежде всего, с ростом бактерий, которые перемешиваются с грибками и скапливаются в кожном сале.
При болезни Альцгеймера запах напоминает аромат ржаного хлеба, однако он не такой резкий, как при болезни Паркинсона. Американские исследователи Bruce A. Kimball, Donald A. Wilson&Daniel W. Wesson в эксперименте на животных обнаружили, что моча может содержать «пахучие» вещества, характерные для болезни Альцгеймера. Они отметили, что изменения запаха этой биологической жидкости появляются раньше, чем характерное для заболевания поражение мозга [10].
При почечной недостаточности присутствует выраженный уремический запах изо рта больного вследствие разложения мочевины до аммиака. Считается, что уремический запах удается обнаружить, когда концентрация остаточного азота в крови превысит 100 мг % (т.е. более 70 ммоль/л) [4].
При печеночной недостаточности изо рта больного, а также от мочи и пота ощущается сладковатый «печеночный» запах («печеночное зловоние»), обусловленный выделением метилмеркаптана, образующегося в результате нарушения обмена метионина [4].
Триметиламинурия, или синдром рыбного запаха – состояние организма, вызванное редким генетическим заболеванием, мутацией флавинмонооксигеназы 3 (FMO3), и обусловленное накоплением триметиламина в организме пациента. Диагностика ТМАУ является сложной задачей, поскольку это расстройство находится на границе между биохимией и психиатрией. В качестве диагностики данного состояния организма используются такие методы, как спектроскопия ядерного магнитного резонанса, а также метод секвенирования гена FMO3 [10]. Однако наличие заболевания можно заподозрить и без специальных методов диагностики, ведь рыбный запах от тела человек достаточно едкий.
На сегодняшний день в качестве инструментального диагностирования того или иного заболевания используют два совершенно разных, но при этом достаточно эффективных подхода: электронный нос и газовую хроматографию.
По мнению Kamila Schmidt and Ian Podmore, в качестве основных методов диагностики рака ЛОС могут быть использованы газовая хроматография-масс-спектрометрия, GC-MS, реакция переноса протонов-масс-спектрометрия (PTR-MS), выбранная ионная проточная трубка-масс-спектрометрия (SIFT-MS), а также газовые датчики («электронные носы») [11]. Онкологические заболевания наравне с другими патологиями могут изменять запахи тела, и за последние несколько десятилетий учеными было сделано много для оценки важности летучих органических соединений (ЛОС) как сигнатур рака [12]. Запах больного онкологией пока что плохо изучен, однако есть сведения, указывающие на появление запаха дрожжей или грибов, который меняется в зависимости от стадии, ремиссии или от того, какой орган поразил недуг. На ранних стадиях онкологического заболевания клинические симптомы зачастую не проявляются, поэтому поиск неинвазивных методов диагностики, позволяющих выявить злокачественные новообразования на ранней стадии, является актуальным. Среди данных методов применяют «омические» подходы, такие как метаболомика, эпигеномика, протеомика [13-15], и анализ летучих органических соединений (ЛОС) применяется как один из достоверных и перспективных метаболомных подходов, который может служить так называемым тестом для выявления онкологии на ранних стадиях ее развития. Тем не менее стоит отметить, что онкологические заболевания являются одной из ведущих причин смертности в мире. По прогнозам, к 2030 году смертность от рака продолжит расти и превысит 13,1 миллиона человек [16].
Международный коллектив ученых и клиницистов в 2016 году создал портативное устройство, определяющее такие заболевания, как болезнь Паркинсона, язвенный колит, гипертензию легочной артерии, хроническую болезнь почек, преэклампсию, а также различные виды рака с точностью до 86% [1].
Газовая хроматография позволяет разделить все многочисленные вещества на хроматографические колонки, образуя хроматограмму, где каждому из соединений соответствует отдельный пик, характерный для того или иного проявления заболевания. Зачастую общее содержание компонентов будет превышено, что не даст возможность определить каждый из них отдельно. Однако при возникновении заболевания в спектрах ЛОС появляются повторяющиеся картинки, а именно наборы пиков с определенными соотношениями их интенсивностей. Появление в спектре таких рисунков, носящих название «отпечатки пальцев», указывает на наличие болезни [1].
Американскими учеными из Нью-Джерси (М. Филлипс, Н. Алторки и др.) были проанализированы хроматограммы выдыхаемого воздуха 193 больных раком легкого и 211 здоровых волонтеров. После проведения сравнительного анализа были обнаружены 16 маркеров этого заболевания, определяющих диагноз с точностью около 85% [1].
Для медицинской практики оба эти подхода показали свою эффективность при клинических исследованиях. Выбор какого-либо из методов диагностики зависит от поставленных задач. Для диагностического скрининга предпочтительно использование «электронного носа», который сочетает в себе не только высокую точность, но и компактность и дешевизну. Газовую хроматографию, направленную на выделение каждого летучего соединения индивидуально, целесообразно применять при необходимости отслеживания нарушений метаболических путей, связанных с тем или иным заболеванием [1].
В статье L.R. Bijland и M.K. Bomers (Smelling the diagnosis: are view on the use of scent in diagnosing disease) были приведены примеры распознавания болезней с помощью животных и «электронного носа» [17]. На протяжении веков наше обоняние использовалось в качестве диагностического инструмента в медицинской практике, будь то обнаружение газовой гангрены на поле боя или диабетический кетоацидоз в отделении неотложной помощи. В последние десятилетия было проведено множество исследований по обнаружению запахов с использованием носа человека, животных и «электронного носа». Способность людей диагностировать болезнь по запаху лишь изредка была предметом количественных исследований. С другой стороны, обнаружение запаха животными было рассмотрено в нескольких диагностических исследованиях, которые предполагают аналогичную или даже более высокую точность по сравнению со стандартными диагностическими методами. Примеры включают, среди многих других, использование собак для обнаружения рака легких в образцах вдыхаемого воздуха или крыс для обнаружения Mycobacterium tuberculosis в мокроте. Protoshhak V.V., Andreev E.A пришли к заключению, что надрессированные собаки способны выявить больных раком простаты с достоверностью приблизительно 99% [18].
Исследования с использованием различных типов «электронного носа» при таких заболеваниях, как рак, также показали многообещающие результаты с высокой общей чувствительностью и специфичностью. Однако результаты для разных типов «электронного носа» нелегко обобщить, и обычно отсутствуют независимые подтверждающие исследования, которые должны стать предметом будущих исследований.
Финские ученые из университета Тампере, Технологического университета Тампере, больницы Pirkanmaa и компании Fimlab доказали, что устройство типа «электронный нос» (eNose) может использоваться для идентификации наиболее распространенных бактерий, которые вызывают инфекции мягких тканей тела человека [19].
Создание подобной разработки ведется в настоящее время и в других странах. Так, в частности, американские специалисты из Калифорнийского университета в Риверсайде создали миниатюрный прибор, способный «вынюхивать» разные летучие компоненты [19].
Устройство, имеющее похожий принцип действия, создали испанские ученые из Политехнического университета Валенсии и Исследовательского института здоровья имени Ла Фе. Разработанный ими прототип прибора способен отличать пациентов с болезнью Крона от больных язвенным колитом. Данный вариант «электронного носа» способен проанализировать состояние пациента за 3 минуты и может использоваться врачами при диагностике заболеваний пищеварительной системы [19].
Специалисты Пенсильванского университета успешно испытали «электронный нос» на 93 людях со злокачественными и доброкачественными образованиями, а также на контрольной группе, состоящей из полностью здоровых людей. В результате «электронный нос» смог по плазме крови диагностировать рак яичников с точностью 95%, рак поджелудочной железы - с точностью 90%. В том числе и на ранних стадиях. Время диагностики каждого образца составило 20 минут [20].
XXI век поразил человечество новым заболеванием, вызванным коронавирусной инфекцией COVID-19, являющейся причиной крупнейшей пандемии со времен вспышки вируса гриппа A подтипа H1N1 в 1918 году. Основными симптомами данного заболевания являются кашель, лихорадка, усталость, дисфункция обоняния (по исследованиям Shima T Moein - Smell dysfunction: a biomarker for COVID-19 - дисфункция обоняния наблюдается у 98% людей с подтвержденным COVID-19) [21].
От людей, имеющих положительный тест на COVID-19, так же как и при других заболеваниях, исходит запах. Вследствие ношения медицинских защитных костюмов медицинский персонал не в состоянии оценить запах данного заболевания.
Dominique Grandjean и Riad Sarkis провели исследование, цель которого состояла в том, чтобы оценить, могут ли обученные собаки различать образцы пота от симптоматических COVID-19 положительных людей (SARS-CoV-2 ПЦР положительный) и у бессимптомных COVID-19 отрицательных людей. В общей сложности для исследования было набрано 177 человек (95 симптоматических COVID-19 положительных и 82 бессимптомных COVID-19 отрицательных человека). Показатель успешности на одну собаку (т.е. количество правильных показаний, деленное на количество испытаний) варьировался от 76% до 100% [22].
Проект Nosaïs, осуществляемый UMES (Unitéde Médecine del' Elevageetdu Sport) в Национальной ветеринарной школе Альфора (Maisons-Alfort, Франция), был создан для разработки научного подхода к медицинской диагностике с использованием собак. В мае 2020 года, в связи с потенциальным возникновением второй волны COVID-19 во многих странах, команда Nosaïs инициировала многоцентровое экспериментальное исследование, направленное на выявление собаками людей с положительным тестом на COVID-19. Это экспериментальное исследование основано на предварительном предположении, что собаки могут быть обучены различать положительных и отрицательных людей COVID-19 из-за их сильной остроты обоняния. Предположение было подкреплено результатами недавнего пилотного исследования по обонятельной идентификации собаками детей, имеющих положительный тест на COVID-19 [23].
В 1989 году Уильямс и Пембрук предположили, что собаки могут обнаруживать злокачественные опухоли на основе их специфического запаха [24]. Первое клиническое исследование рака легких и молочной железы было опубликовано McCulloch et al. в 2006 году [25]. В 2010 году Уиллис и др. опубликовали клиническое исследование рака мочевого пузыря [26], опубликовав доказательство принципа в 2004 году [27]. Последующие исследования были проведены для изучения способности собак обнаруживать колоректальный рак [28], рак легких [29-31], предстательной железы [32], печени [33], а также меланому [34; 35].
Также в качестве неинфекционных заболеваний собаки могут определить запах больных диабетом [36-38].
Дрессированные собаки могут использоваться для дифференциации ряда запахов насекомых и паразитов. Guest et al. показали, что дрессированные собаки могут использовать обоняние для идентификации людей с малярией [39]. Бактериологические заболевания могут быть выявлены и собаками [40; 41]. Собаки, по-видимому, способны дифференцировать клеточные культуры, инфицированные вирусом, вызывающим заболевание слизистой оболочки крупного рогатого скота, от неинфицированных культур или от инфицированных другими вирусами (бычий герпес 1 или парагрипп крупного рогатого скота 3) [42].
Диагностика того или иного заболевания является непростой задачей: необходимо применение персонализированной медицины, т.к. набор летучих органических соединений достаточно индивидуален для каждого пациента и зависит от питания человека, его возраста, эмоционального состояния, применения лекарственной терапии на этапе его диагностики и лечения. Диагностика заболеваний также осложняется тем, что концентрация летучих соединений чрезвычайно мала, поэтому приборы должны обладать очень высокой чувствительностью [1].
Тест на оксид азота – как маркер воспаления дыхательных путей при астме - появился в США еще в 90-х годах. Этот же тест с успехом применяется при диагностике таких заболеваний, как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), нарушения эпителия носа, склеродермия, синдром обструктивного апноэ, муковисцидоз и др. [1].
Позже появился тест на Helicobacter pylori, вызывающий язву желудка и двенадцатиперстной кишки. В его основе лежит свойство Helicobacter pylori выделять фермент уреазу, катализирующую преобразование мочевины в аммиак и углекислый газ [1].
Определение маркеров окислительного стресса - тест, использующийся в клинике для определения признаков отторжения у пациентов, перенесших трансплантацию сердечной мышцы. Характерный набор сигналов, свидетельствующий о начале процесса отторжения и умирания ткани, можно определить с использованием газовой хроматографии/масс-спектрометрии в выдыхаемом воздухе пациента [1].
На данный момент близок к утверждению дыхательный тест, применяемый для диагностики гастропареза, определяющий скорость опорожнения желудка. Данный тест основан на анализе содержания изотопа С-13 в выдыхаемом воздухе. Пациенту предлагают завтрак - яичницу-болтунью, содержащую 43 мг 13С-спирулины (пищевой добавки из сине-зеленых водорослей), соленые крекеры и воду. Спирулина проходит через желудочно-кишечный тракт в кишечник, абсорбируется и метаболизируется до СО2, который и обнаруживают в выдыхаемом воздухе. Концентрация С-13 говорит о скорости переваривания пищи [1].
Заключение
На основании семантического анализа больших баз данных собраны и обобщены материалы научных работ, свидетельствующие о диагностике заболеваний по запаху как о методе, возможность применения которого актуальна и целесообразна, с одной стороны, но с другой – нуждается в повышенных требованиях к компетентности врача, а также точности и высокой чувствительной инструментальной диагностики.
Запах тела человека по-прежнему остается ранним и точным признаком наличия определенной патологии в организме человека и позволяет врачу своевременно диагностировать то или иное заболевание и принять соответствующие меры.