Надруковано на сторінках «National Geographic». Мешканка Шотландії Джой Мілн (Joy Milne) відчула, що запах її чоловіка став поступово змінюватися, в ньому з'явилися ледь вловимі деревні і мускусні відтінки. Спочатку вона не надала цьому значення. Однак через шість років чоловікові поставили діагноз - хвороба Паркінсона. Разом з ним вона прийшла в лікарню і несподівано виявила, що такий запах властивий не тільки її чоловікові, а й усім хворим в цьому відділенні.
Живі сенсори хвороби
Джой розповіла про своє спостереження лікареві, який працював в Единбурзькому університеті, а він поділився цим з колегами. Вчені були заінтриговані і вирішили перевірити, чи дійсно Джой Мілн може діагностувати хворобу по запаху.
Для участі в експерименті дослідники запросили шістьох здорових добровольців і шістьох пацієнтів, які страждають на хворобу Паркінсона. Кожен отримав по однаковій футболці, надів її і носив протягом дня. А потім футболки дали понюхати Джой Мілн. Вона правильно вгадала в 11 випадках з 12: точно впізнала всі футболки хворих, але помилково приписала одну з «здорових» футболок до категорії «хворих». Яке ж було здивування дослідників, коли через вісім місяців вони діагностували хворобу Паркінсона у тієї людини, чию футболку Джой Мілн «неправильно» впізнала як футболку хворого! Це означало, що Джой Мілн дійсно могла розпізнати хворобу Паркінсона задовго до появи перших симптомів.
Зв'язок запаху тіла людини з тією чи іншою хворобою цікавила ще давньогрецьких лікарів. Приблизно в 400 році до нашої ери Гіппократ згадував про специфічні запахи тіла, слини, мокротиння і сечі, які можна використовувати для діагностики різних захворювань. А в стародавньому трактаті на санскриті Сушрута Самхита, написаному в 350 році до нашої ери, сказано: «За допомогою нюху ми можемо розпізнати своєрідний запах поту при багатьох хворобах, який допомагає в їх діагностиці».
При діабеті в повітрі, що видихається вловлюється запах ацетону, печінкова недостатність надає тілу запах сирої риби, черевний тиф - запах випеченого хліба, а жовта лихоманка змушує шкіру пахнути м'ясної лавкою - це відомі і цілком з'ясовні факти. Адже запахи тіла складаються з сотень і тисяч летючих органічних сполук, які утворюються в результаті метаболізму і виділяються з повітрям, що видихається, потом, слиною, сечею, фекаліями. Ці сполуки часто стають їжею для бактерій, що населяють шкіру, слизові оболонки і інші системи людського організму. Але і бактерії, покуштувавши цей «компот», теж виділяють пахучі речовини, і це ще одне джерело запаху, що виходить від тіла людини. Зрозуміло, що набір пахучих речовин у різних людей різний, він залежить від способу життя, фізичного навантаження, їжі, вживаних ліків, навколишнього середовища і, звичайно, від тих чи інших захворювань.
Собаки мають більш гострим нюхом, ніж людина, тому їх можна натренувати на запахи, характерні для певних хвороб. Наприклад, в Америці працює спеціальна служба Diabetic Alert Dogs. Тут собак навчають вловлювати специфічний запах, який з'являється у діабетика при зниженні (гіпоглікемії) або підвищенні (гіперглікемії) рівня цукру, перш ніж ці зміни стануть небезпечними. На сторінці цієї служби в інтернеті можна прочитати безліч історій про те, як навчені собаки рятували і рятують хворих різного віку, включаючи немовлят.
Діабет - не єдине захворювання, яке безпомилково розпізнають наші чотириногі друзі. Численні дослідження останніх п'ятнадцяти років, виконані в каліфорнійському і міланському університетах, військовому ветеринарному центрі Італії та інституті генетики і тваринництва в Польщі, продемонстрували, що собаки здатні виявляти різні види раку, включаючи рак простати, колоректальний рак, рак легені, рак молочної залози і меланому , причому чутливість тварин в подвійному сліпому експерименті не поступалася чутливості найсучасніших діагностичних методів. Результати цих досліджень опубліковані в журналі «Integr. Cancer Ther.» (2006) і «J. Urol.» (2015).
Від собак не відстають і миші: вони здатні розрізняти запах сечі свого побратима з щепленим раком легкого і запах сечі здорової тварини. У цьому переконалися в експерименті американські дослідники з університету Пенсільванії і центру хімічних сенсорів в Філадельфії, про що й розповіли в журналі «PLoS One» в 2010 році. А оскільки ні собак, ні мишей використовувати в лікарні не цілком зручно, японські дослідники запропонували вельми несподівану тест-систему для клінічної діагностики онкологічних захворювань. Сенсором в цій системі працюють черви-нематоди Caenorhabditis elegans - близькі родичі аскарид, які паразитують в організмі людини і ссавців. Якщо нематодам дати вибір, то вони будуть рухатися до зразків сечі ракових пацієнтів, які приваблюються її запахом, але залишаться байдужими до сечі здорових суб'єктів.
Чутливість цього тесту була вражаючою (95,8%), при тому, що серед хворих були пацієнти на самій ранній стадії захворювання («PLoS One», 2015).
Запах хвороби і еволюція
Здатність розпізнавати хворобу по запаху розвинулася в процесі еволюції не випадково. Інфекційні та паразитарні захворювання - основна причина масової загибелі в будь-якій популяції, і найбільш ефективний спосіб не допустити поширення епідемії - ізолювати хвору тварину. Вибір здорового партнера для створення потомства також впливає на виживання популяції в цілому.
Численні експерименти на гризунах підтвердили, що здорові тварини уникають будь-яких контактів з особинами, що носять в собі заразу - від кишкових нематод і кандид до вірусів, а самки безпомилково вибирають для спарювання здорових партнерів. Гризуни також реагували і на побратимів з запальними процесами, які викликали штучно - вводили тваринам ліпополісахарид. Ліпополісахарид - компонент зовнішньої частини клітинної мембрани всіх грам-негативних мікроорганізмів. Його називають також ендотоксином, і не випадково: він активує імунну систему, змушуючи лімфоцити виробляти запальні цитокіни. Надмірна кількість ендотоксину призводить до таких грізних ускладнень, як ендотоксиновий шок і гостра поліорганна недостатність. Через чотири години після ін'єкції у щурів розвинулося запалення, і хворих особин стали цуратися здорові побратими. Це дослідження виконали в університеті Нью-Йорка в 2009 році.
Дослідники з Каролінського інституту під керівництвом Матса Олсона (Mats J. Olsson) задалися питанням - чи буде спостерігатися аналогічний ефект відторгнення серед людей? Двадцяти двом здоровим добровольцям робили ін'єкцію ліпополісахарида або сольового розчину (контроль) і надягали на них щільно облягають футболки, які вони носили протягом чотирьох годин. Щогодини їм вимірювали температуру і брали кров, щоб визначити рівень маркерів запалення. Інша група випробовуваних мала оцінювати запах футболок. Для підтвердження адекватності тесту до футболок добровольців підклали неношені футболки. Результат: більшість реципієнтів охарактеризували запах футболок від добровольців із запаленням як неприємний і нездоровий.
Розпізнавання запахів інфекційних хвороб можна розглядати як еволюційний механізм, що перешкоджає поширенню епідемії в популяції. Однак коли мова йде про незаразних хворобах, таких як діабет або онкологія, все далеко не так очевидно.
Запах пристрасті і запах щастя
Виявляється, що запах може передавати не лише інформацію, пов'язану з віком, статтю та хворобами людини, але і з її емоціями. Вважається, що собаки відчувають страх людини і поводяться з людьми, які перелякані, більш агресивно. Часто пси гарчать на одних людей, а на інших і уваги не звертають. Людям, які патологічно бояться собак, завжди радять будь-якими способами зберігати спокій і жодним чином не виявляти свого страху, оскільки, як вважають, страх провокує у собак інстинкт хижака.
В експерименті, проведеному італійськими вченими під керівництвом Биаджо Д'аніелло (Biagio D'Aniello) разом з колегами з Португалії в 2017 році, брали участь лабрадори і золотисті ретривери і студенти-добровольці інституту вищої прикладної психології Лісабона. Студентам поклали під пахви вбираючі марлеві прокладки і запропонували переглянути 25-хвилинний фільм, що викликає або страх, або відчуття щастя. Потім прокладки зібрали, помістили в спеціальні контейнери і відправили в Неаполь.
Завершальна частина експерименту проходила в невеликій лабораторній кімнаті, де знаходилися господар з собакою і незнайомий собаці дослідник. В середині кімнати стояв контейнер з прокладками, однак ні господар, ні дослідник не знали, який запах міститься в цьому контейнері. Поведінка собаки у відповідь на запах записували на відеокамеру, одночасно вимірюючи частоту її серцебиття.
Виявилося, що найбільш сильно тварини реагували на запах страху: вони починали гавкати, озиралися на господаря і шукали його очима, у них частішало серцебиття, вони відводили вуха назад і демонстрували інші ознаки стресу. Аналізуючи притаманні реакції, вчені прийшли до висновку, що, всупереч сформованій думці, всі вони свідчать не про появу інстинкту хижака, а про страх самої собаки. Іншими словами, той страх, який відчували студенти в Лісабоні під час перегляду фільму жахів, передався собакам, що знаходились в Неаполі, через запах марлевих пов'язок. А ось запах щастя діяв на собак слабкіше, але позитивно: вони ставали більш доброзичливими по відношенню до незнайомого дослідника, присутнього в кімнаті.
Виявляється, не тільки собаки, а й людина здатна вловити по запаху емоційний стан партнера. Наприклад, дослідники з наукового інституту Вейцмана в Реховоті (Ізраїль) в 2011 році опублікували статтю в журналі «Science», де експериментально довели, що запах жіночих сліз, зібраних під час перегляду сумного фільму, знижує сексуальну привабливість жіночих обличь для чоловіків. Крім того, запах жіночих сліз зменшує у чоловіків рівень тестостерону, а функціональна магнітно-резонансна томографія мозку досліджуваних чоловіків продемонструвала, що знижується активність центрів сексуального збудження. Втім, апетит у чоловіків при цьому не зменшувався. Результати дослідження були опубліковані в журналі «Science» в 2011 році.
Більш того, емоційні стани можуть бути «заразними»! Це явище багато років досліджують вчені з Утрехтського університету в Нідерландах під керівництвом Гуна Сєміна (Gun R. Semin). Ось один їх експериментів. Як донори поту виступали здорові некурящі чоловіки, яким демонстрували відео, що викликають у них емоції страху або відрази, або нейтральне відео (і які, як зазначено в статті, отримували за це 20 євро). Реципієнтами були жінки (їм чомусь платили тільки 8 євро). Вони не знали, запах якої емоції їм пропонували. Їм нічого не треба було коментувати - просто нюхати. А тим часом дослідники уважно спостерігали за диханням жінки, рухом їхніх очей, рухом мімічних м'язів.
Вчені використовували системи кодування лицьових рухів (FACS, EmFACS, FACSAID і ін.), що дозволяють зіставити вираз обличчя людини з емоцією, яку він відчуває. Наприклад, електроміографічне активність лицьового м'язу виличної кістки і кругового м'яза (посмішка Дюшена) відображають щастя, в той час як активність за участю медіального лобового м'язу, що піднімає брови, відповідає страху. Так вчені виявили, що такі емоції, як страх і огиду, передаються з запахами поту, причому нюхові сигнали не усвідомлюються реципієнтом, але відображаються на його обличчі і особливості дихання. «Щасливі» зразки поту викликали на обличчях жінок «посмішку Дюшена», хоча жінки не могли назвати ці зразки, що явно приємно пахнуть («Psychological Science», 2015). Схоже, наука підтверджує, що щастям, як і страхом, можна заразитися.
Маркери для визначення станів організму
Запах людини визначається тисячами летючих органічних сполук (ЛОС), склад і співвідношення яких тісно пов'язані з метаболічними процесами, що відбуваються в організмі. Кожне з цих з'єднань - кінцевий продукт певної метаболічного ланцюжка, і будь-які порушення або зміни метаболізму негайно позначаються на складі ЛОС. При цьому певних хвороб або емоційним станам може відповідати характерний набір з'єднань, які здатні вловлювати тварини і деякі люди.
Запахи емоцій дуже нестабільні і змінюються з часом, та і практичне значення їх розпізнавання не надто велика. Інша справа - біомаркери захворювань, які активно шукають вчені за допомогою різних приладів. Однак це непросте завдання. По-перше, концентрація летючих сполук надзвичайно мала, тому прилади повинні мати дуже високою чутливістю. А по-друге, набір з'єднань в значній мірі індивідуальний і залежить від віку, харчування, ліків, що приймаються, фізичного навантаження, емоційного стану, навколишнього середовища і багатьох інших факторів. Виділити серед тисячі з'єднань, склад яких непостійний, одне або кілька, надійно (однозначно) пов'язаних із захворюванням, вдається лише в рідкісних випадках.
Проте маркери деяких захворювань вже відомі, і їх активно застосовують в діагностиці. Управління з санітарного нагляду за якістю харчових продуктів і медикаментів США (FDA) схвалило застосування трьох тестів повітря, що видихається. Першим в 1990-х роках з'явився тест на оксид азоту (exhaled nitric oxide, eNO) - як маркер запалення дихальних шляхів при астмі. Але потім виявилося, що тест прекрасно працює і при діагностиці інших захворювань, включаючи хронічне обструктивне захворювання легенів (ХОЗЛ), склеродермію, синдром обструктивного апное, порушення епітелію носа, муковісцидоз і гепатопульмональний синдром. Виявляється, при хронічних запальних процесах еозинофіли, клітини імунної системи, виділяють надмірну кількість NO. Його-то і виявляє тест за допомогою хемілюмінесцентної реакції оксиду азоту з озоном.
Наступним з'явився тест на хелікобактер пілорі (Helicobacter pylori), що викликає виразку шлунка і дванадцятипалої кишки. В основі тесту лежить властивість хелікобактер пілорі виділяти фермент уреазу, який каталізує перетворення сечовини в аміак і вуглекислий газ. Пацієнту дають проковтнути розчин сечовини, міченої важким ізотопом вуглецю, а через 15-30 хвилин визначають мічений СО2 в повітрі, що видихається. Наявність ізотопу C-13 говорить про присутність в шлунку цієї самої бактерії.
Третій тест - визначення маркерів окисного стресу (Hearts Breath Test). Його використовують в клініці для виявлення ознак відторгнення у пацієнтів, які перенесли трансплантацію серцевого м'яза. З використанням газової хроматографії / мас-спектрометрії в повітрі, що видихається пацієнтом, визначають характерний набір сигналів, який може говорити про те, що почався процес відторгнення і вмирання тканини.
Нарешті, близький до утвердження четвертий дихальний тест для діагностики гастропарезу, що визначає швидкість спорожнення шлунку (Gastric Emptying Breath Test, GEBT). Цей тест також заснований на аналізі вмісту ізотопу С-13 в повітрі, що видихається. Пацієнту пропонують сніданок - яєчню-болтушку, що містить 43 мг 13С-спіруліни (харчової добавки з синьо-зелених водоростей), солоні крекери і воду. Спіруліна проходить через шлунково-кишковий тракт в кишечник, де вона абсорбується та метаболізується до 13CO2, який і виявляють в повітрі, що видихається. Концентрація С-13 говорить про швидкість перетравлення їжі.
Сьогодні для інструментального визначення біомаркерів використовують два абсолютно різних підходи: електронний ніс і газову хроматографію. Електронний ніс імітує роботу органів нюху людей або тварин і розпізнає характерний образ об'єкта. Він являє собою набір сенсорів, з якими можуть конкурентно взаємодіяти ЛОС. Подібно рецепторам людського носа, кожен сенсор може реагувати на різні речовини, а одне і те ж з'єднання може впливати на декілька сенсорів. Електронний ніс не поділяє і не ідентифікує окремі сполуки, а реагує на їх сукупність. Технологія електронного носа відносно дешева, проста і видає результати на місці. Великий міжнародний колектив учених, інженерів і клініцистів з Ізраїлю, Франції, Китаю, Латвії та США в 2016 році створив портативний пристрій, здатний з точністю 86% визначати 17 різних захворювань, включаючи різні види раку, виразковий коліт, синдром подразненого кишечника, хвороба Паркінсона, множинний склероз, гіпертензію легеневої артерії, прєеклампсію і хронічну хворобу нирок (ACS Nano. 2017).
Зовсім інший підхід у методі газової хроматографії. Тут всі численні речовини поділяються на хроматографічної колонці, утворюючи характерний малюнок - хроматограму, де кожному з'єднанню відповідає окремий пік. Серед цих піків і знаходять ті, що характерні для того чи іншого захворювання (біомаркери). Іноді компонентів настільки багато, що визначити кожен з них окремо не являється можливим, однак можна помітити, що при виникненні захворювання в спектрах ЛОС з'являються повторювані картинки - набори піків з певними співвідношеннями їх інтенсивностей. Такі картинки називають відбитками пальців (fingerprints), і їх поява в спектрі вказує на наявність хвороби.
Наприклад, американські дослідники з Нью-Джерсі, м. Філліпс (M. Phillips), Н. Алторкі (N. Altorki) і ін., проаналізували хроматограми повітря, що видихали 193 пацієнта, які страждають на рак легені, і 211 здорових волонтерів, порівняли і виділили 16 маркерів цього захворювання, що визначають діагноз з точністю близько 85% (Cancer Biomarkers. 2007).
Обидва підходи гарні й корисні для медичної практики. Який з них використовувати - залежить від поставлених завдань. Для діагностичного скринінгу краще електронний ніс, що поєднує дешевизну, компактність і високу точність. Якщо ж потрібно простежити порушення метаболічних шляхів, пов'язаних з тим чи іншим захворюванням, застосовують газову хроматографію, що виділяє кожне летюча з'єднання індивідуально.
Відповідно до загальноприйнятої класифікації, людина належить до мікросматиків, які, на відміну від багатьох ссавців-макросматиків, основну інформацію про навколишнє середовище отримують від органів зору та слуху, але не нюху. Однак, судячи з даних, наведених в цій статті, запахи відіграють у житті людини значно більшу роль, ніж прийнято вважати. Слабкі нюхові сигнали, що виходять від людини, часто знаходяться нижче межі усвідомленої чутливості людського носа, проте вони несуть важливу інформацію про вік, стать, стан здоров'я і навіть настрої. Вловити і розшифрувати ці сигнали інструментальними методами нелегко, але прагнути до цього треба, якщо ми хочемо отримати ключ до ранньої діагностики небезпечних хвороб. Ну а поки надійне обладнання розробляється, лікарі можуть використовувати свій власний ніс і ніс наших чотириногих помічників. Зрештою - ніс все ж можна натренувати!
