Неочевидные запахи вокруг. Интервью с разработчиком систем искусственного обоняния Татьяной Кучменко

Вряд ли вы задумывались о том, как пахнут, например, муха или кузнечик. Или как различаются запахи кожи здорового человека и человека с определенными заболеваниями. Конечно, отличить их самостоятельно, естественным путем не получится: разница формируется на молекулярном уровне. Эти различия способны уловить, проанализировать и представить пользователю на понятном языке системы искусственного обоняния.

Как по запаху кожи ученые способны определить заболевания на ранних стадиях? В каких областях могут быть востребованы системы искусственного обоняния и чем они отличаются от классических газоанализаторов? По какому принципу работают сенсоры электронных носов? Об этом ― в интервью с профессором Российской академии наук, доктором химических наук, заведующей кафедрой физической и аналитической химии Воронежского государственного университета инженерных технологий Татьяной Анатольевной Кучменко.

― Что такое искусственный нос? По большому счету это газоанализатор?

― Конечно, по своему принципу искусственные носы ― это газоанализаторы, хотя и отличаются методическим подходом. Традиционные газоанализаторы настроены на определенный газ или несколько газов, а установленные в них датчики определяют их концентрацию. Искусственные, или, как их принято называть, «электронные носы» ― это абсолютно другая система, разработанная около 50 лет назад: аналитическая система, призванная имитировать органы обоняния млекопитающих и прежде всего человека. Она состоит из таких же измерительных структур, как и газовые датчики, но обработка и представление итоговых данных, анализ летучих соединений работают иначе.

«Электронные носы» не сообщают информацию о концентрации газов или отдельных молекулах (хотя после градуировки могут), а анализируют совокупность всех летучих соединений. В итоге представляется суммарный образ ― так же, как это происходит у нас в мозгу при обработке сигналов обонятельного эпителия по сигналам нервных окончаний и обонятельного нерва.

― Среди искусственных органов чувств «электронные носы» не так популярны в информационном пространстве, как, например, искусственное зрение или слух. Почему сложилась такая ситуация? И с чего вы начинали 20 лет назад?

― На нынешнем этапе развития я бы говорила даже не об «электронных носах», а о технологиях искусственного обоняния. Носы ― это всего лишь маленькая часть всей системы обоняния человека, в которой содержится начальный эпителиальный слой, реагирующий на летучие молекулы. Так и «электронный нос» ― это всего лишь набор датчиков, имитирующий наши сенсорные клетки обоняния. Но сигнал должен еще добраться до мозга, где будет проанализирован и сформируется итоговая информация, например, о приятном или неприятном, сильном или слабом запахе. Такие же структуры сопровождают «электронные носы».

Поэтому я склонна говорить именно об искусственном обонянии ― это комплексная система, куда входят и детектор, и программное обеспечение, в котором заложена не только регистрация первичных сигналов от сенсоров, но и программа обработки этой информации, визуализации, количественного обсчета и сравнения. Именно к этому я пришла за годы работы: в этом году исполняется ровно 20 лет с момента, когда я дерзнула защитить в докторской диссертации разработку российского «электронного носа».

Я не встречала других портативных обонятельных устройств, которые бы работали изолированно, то есть не были бы связаны с какими-то органами человека. При этом мы не только создаем «электронные носы», но и пытаемся занять эту нишу на российском рынке. Несмотря на то что более 30 стран в мире занимаются такими разработками, сложность восприятия этих систем в консервативности представления о фундаментальных задачах анализа, качественных и количественных. То есть все привыкли к тому, что устройство должно давать четкие ответы на вопросы о том, сколько в пробе тех или иных веществ. Но обоняние человека работает с летучими компонентами иначе, и по этому же принципу действует наше устройство. Поэтому так сложно пробить границу понимания того, что же показывает «электронный нос» и для чего он нам нужен. Возможно, это связано с тем, что теория определения запаха человеком достаточно молода. Только в начале 2000-х гг. ученые впервые объяснили, как в мозге происходит распознавание совокупности летучих молекул. Обонятельная система человека не раскладывает запах апельсина на 700 существующих компонентов, мы просто чувствуем: пахнет апельсином.

Системы искусственного обоняния позже остальных начали занимать свою нишу, но если мы пойдем по пути искусственного человека с возможностью роботизировать органы, то наши разработки найдут применение. В аналитической химии мы способны оцифровать абсолютно все: цвет, плотность, звук, даже осязание. Однако запах оцифровать очень сложно, и нет приборов, которые измеряли бы его быстро. «Электронные носы» способны занять эту нишу.

― Расскажите подробнее о технической составляющей «электронных носов».

― Структура обонятельной части «электронного носа» ― это прежде всего набор химических датчиков: газовых сенсоров. Они могут быть абсолютно разные: полупроводниковые, оптические, электрохимические. Мы используем масс-чувствительные сенсоры, фактически это микро- и нановесы. Если на эту структуру попадает даже одна молекула, у них изменяется выходной сигнал, у нас это частота колебания кварцевой пластины, на которую и садятся молекулы. Этот процесс регистрируется, сигнал усиливается и приходит к определенной величине.

Управление тем, с какими именно молекулами взаимодействует сенсор, происходит путем дополнительной модификации. На датчики наносят тончайший слой сорбента: это могут быть наноматериалы, твердые соединения, полимерные пленки, вязкие жидкости, хроматографические фазы, их комбинации ― все что угодно. Этот тончайший слой занимает микрометры и весит микрограммы. Он взаимодействует с молекулами за счет межмолекулярных быстрых связей. Мы подбираем покрытие, которое на каждом сенсоре преимущественно реагирует на ту или иную группу химических соединений. Что значит преимущественно: один сенсор реагирует на спирты и совсем немного на остальные группы; другой ― на спирты, но также может реагировать на кислоты и кетоны; третий взаимодействует только с неполярными соединениями. Совокупность этих сигналов, чуть-чуть меняющихся сорбционных интересов, позволяет наборам сенсоров регистрировать большое количество соединений. Нет смысла создавать один сенсор, реагирующий на что-то конкретное. Мы захватываем как можно больше компонентов запаха, и суммарный сигнал всех сенсоров формирует своего рода «фотографию запаха». Искусство создания «электронных носов» именно в подборе этих пленок. Пока мне, к сожалению, не удается найти людей, которые могли бы в объеме визуализировать реакции всех восьми сенсоров. Если это сделать, то мы бы смогли увидеть картинку объемного запаха того же апельсина.

Мы уделяем очень много времени тестированию колоссального количества новых сорбентов. В этом принципиальное отличие «электронного носа» как аналитического инструмента, реагирующего на летучие молекулы, от других устройств: традиционные газоанализаторы избирательно реагируют на определенные вещества, но не на многокомпонентные структуры, и передают информацию только о конкретном газе. Если собрать вместе несколько газоанализаторов, то ничего нового узнать о газовой среде не получится, каждый передаст информацию о своем аналите, можно только уменьшить время сканирования.  

― Говоря о визуализации: ваша система искусственного обоняния способна, например, понюхав тот же апельсин, вывести на экран сообщение о том, что это именно апельсин? Например, фотографией или текстом…

― Это нам не нужно, хотя и можно реализовать. 20-летняя практика работы с запахами показала, что по такому пути можно уйти к бесконечному числу программ, которые распознавали бы отдельные объекты.

Мы написали больше десяти программ для работы с «электронными носами». Лучший эффект дает универсальная программа, которая регистрирует показания, сохраняет их, позволяет обработать так, как нужно нам, количественно обсчитать и сравнить с близким аналогом. Этого достаточно.

В перспективе можно создать робота, который распознавал бы запахи, заложить в его память тысячи картинок и обучить так, чтобы он сравнивал образы с определенными областями запахов. Но для решения задач, которыми сейчас занимается наша группа, это не нужно.

― Что самое любопытное вы «нюхали» искусственным носом и какие результаты получили? 

― Шесть лет назад я впервые вышла с «электронным носом» на улицу и нюхала все, что попадется под руку. За это время объекты разделились на три группы интереса.

Первая ― это профессиональный экомониторинг по поставленной задаче. Например, исследования стен или мебели, воды с точки зрения экологической безопасности. 

Второе направление ― запахи природы. Это оказалось безумно интересно, я никогда не думала, как пахнут листочки, а как цветы. Конечно, мы сами чувствуем все эти запахи, но глубже есть целый неизведанный мир. Например, если оторвать лист с дерева, он будет «стрессовать», теперь я могу это утверждать достоверно. А когда поливаешь листочек, он «радуется»: меняет свой метаболом, а наши приборы позволяют зарегистрировать изменения этих процессов. Самое забавное, что я «нюхала», ― это муха. Оказалось, что ее метаболом значительно активнее, чем у человека. В этом маленьком тельце происходят процессы, позволяющие ей мгновенно реагировать на изменения в окружающей среде. А вот кузнечик меня впечатлил не сильно ― какой-то он «суховатый». Гекконы по сигналам сенсоров не отличаются от меня, но при этом едят раз в неделю! А у собак, крыс и кошек самая быстрая реакция регулирования со стороны нервной системы.

Третья задача ― это диагностика заболеваний человека и оценка его состояния. С врачами мы работаем больше 16 лет, нюхали много биопроб (выдох, слизь, моча, кровь и др.). А сейчас в прямом смысле нюхаем людей, а именно ― кожу в определенных точках, и очень информативно используем изменения состава выделяющихся молекул. Если исследования биопроб на запах достаточно популярны, то в исследованиях запахов кожи мы остаемся лидерами не только в России, но и во всем мире. Я не видела других публикаций по этой теме с близкой методикой оценки и информативности.

― Вы рассматривали такую область применения ваших «электронных носов», как обеспечение безопасности? Например, поиск взрывчатых или наркотических веществ?

― Четверть века назад, когда мы только начали заниматься этой темой и появились первые публикации, естественно, сразу встал вопрос о возможности определения взрывоопасных и запрещенных веществ. Но я сознательно уходила от этой тематики, хотя и были случаи, когда мы с соответствующими структурами проверяли, как «электронный нос» и сенсоры будут реагировать на те или иные вещества.

Не могу сказать, что мы не можем этого сделать, но мы этим не занимаемся. Мы работаем в высшем учебном заведении, перед нами стоят другие задачи, у нас нет соответствующих условий и прав. Это и не нужно: областей, в которых можно применить наши устройства, достаточно много.

― В одном из эфиров вы рассказывали о проекте, в котором люди, пользуясь вашими приборами, отправляют вам информацию о состоянии организма и набирают статистику. Как развивается это исследование?

― Сначала расскажу про сам нос-диагност: восьмисенсорный портативный «электронный нос», который подключается к компьютеру. Это устройство с открытой системой, то есть насадка, где находятся сенсоры, ничем не закрыта. За этой открытостью стоит колоссальная работа по поиску покрытий, которые стабильно бы работали на открытом воздухе и при этом реагировали на маленькие концентрации биологических проб. Нос-диагност предназначен для клинических испытаний и исследований в больницах совместно с медиками для того, чтобы предоставлять врачу дополнительную информацию без вмешательства в организм, например без постоянного взятия проб крови. Направлений его применения достаточно много, в том числе гинекология, эндокринология, гастроэнтерология, стоматология, детская хирургия. «Электронному носу» нужно две минуты для анализа одной пробы, поэтому с его помощью можно исследовать большие объемы. По запаху кожи детей с повышенной массой тела в эндокринологическом отделении можно оценить на ранних этапах возможность развития сахарного диабета второго типа. Есть возможности выявить нарушения работы печени. Это работа с профессиональными врачами: зная историю и диагноз конкретного пациента, мы оцениваем, насколько выделяемые кожей вещества соотносятся с его состоянием. В декабре в журнале «Аналитическая химия» вышла наша публикация, посвященная исследованию детей. А годом ранее опубликованы результаты тестирования слизи телят. На основе различия запахов носовой слизи мы на ранних стадиях устанавливаем, насколько новорожденный теленочек склонен к развитию заболеваний легких или начался ли негативный процесс. Это универсальные подходы, применимые и к людям тоже.

Мы выпускаем также «дочку» носа-диагноста ― биосканер здоровья, который может использовать каждый. Это трубочка размером с тюбик губной помады. В отличие от носа-диагноста у портативного гаджета только один сенсор, а не восемь, но он способен определить многие нарушения. С октября 2020 г. мы проводили проект, в котором добровольцы в различных состояниях «нюхают» кожу этим прибором. Сегодня их больше 1 тыс. человек. Я, не видя людей, не зная их состояния, старалась понять, насколько объективно они оценивают сами себя. Они отправляли мне данные и сообщали, что, например, болит голова. Или, наоборот, говорили, что все хорошо, хотя по показателям прибора я видела, что есть определенные нарушения. Это нужно для того, чтобы обученный гаджет мог объяснить пользователю состояние его организма на языке, понятном пользователю, без химических терминов.

Конечно, мы обучаем прибор на примере веществ, однако, скажем, сообщение «Ацетон повышен» не только ничего не сообщит человеку, но еще и дополнительно напугает. Поэтому прибор дает рекомендации о том, что необходимо поесть или попить, померить давление, отдохнуть: через программное обеспечение биосканер на абсолютно понятном языке сообщает пользователю о его состоянии.

С помощью прибора человек способен дома без врачей просканировать 20 органов и систем в зонах Захарьина ― Геда, в том числе оценить работу нервной системы. Прибор обучен на огромном массиве данных, которые отправляли люди в разных состояниях, а искусственный интеллект помогает выбрать из всей совокупности наиболее типичные реакции. На экране смартфона они отражаются в виде расчетных показателей, текстовых сообщений или процентного соотношения состояния организма от нормы с краткими комментариями.

Наш биосканер здоровья не ставит диагноз, но это лишнее напоминание: если человек хочет прожить долгую счастливую и здоровую жизнь, он должен уметь слушать себя, однако наши чувства не всегда объективны. «Электронный нос» в этом помогает.

― Несмотря на существующие разработки, я пока не замечал диагностических систем искусственного обоняния в больницах и гаджетов, о которых вы говорите, в продаже. Когда стоит ждать широкого внедрения устройств?

― Мы выпускаем устройства на нашем инновационном предприятии «Сенсорика ― новые технологии» и пытаемся внедрить их на рынок. 23 мая мы выпустили первую, пусть и небольшую, но промышленную партию биосканеров BioScan. Но даже маленькую партию мы делали с большим трудом. Надо отметить, что биосканер — не медицинское оборудование, а для того, чтобы доказать, что такой маленький гаджет, фактически газоанализатор ― это устройство для медицины, требуется колоссальное количество времени и объемов клинических исследований.

У меня есть грустная история о внедрении нового оборудования. В 2010 г. мы выиграли программу «Старт» под создание миниатюрного мобильного «электронного носа» по диагностике Helicobacter pylori в выдыхаемом воздухе. Каждые пять минут изо рта шприцем без иголки отбирались пробы воздуха и вкалывались в прибор, который оценивал, насколько эти микроорганизмы активизированы и связано ли недомогание человека именно с ними. Мы выполнили этот грант: апробировали устройства в гастроотделениях детской и взрослой больниц Воронежа и выпустили прибор. Он получил положительную оценку врачей, но дальше в производство до сих пор не идет.

Наверное, есть граница «созревания» общества и медицины для внедрения таких приборов. Мы как разработчики и я как вдохновитель этой идеи работаем в этом направлении, но сломать систему не в наших силах. Я 20 лет доказываю научному сообществу, что технологии искусственных носов имеют право на жизнь. Но даже среди ученых сталкиваюсь со скепсисом, несмотря на подтвержденные, научно доказанные и обоснованные данные. 

― Какие конкретные задачи по развитию «электронных носов» и систем искусственного обоняния стоят сегодня перед вашим научным коллективом?

― Осенью мы проводили профосмотр студентов и сотрудников нашего вуза. За две недели я «обнюхала» колоссальное количество людей и троим студентам настоятельно порекомендовала обратиться к врачу, заметив неблагоприятные показания. Двое из них вернулись и подтвердили повышенные показатели сахара и давления, которые они не чувствовали. Это и есть шаг к тому, что сейчас ставится в приоритет: предотвращение развития социально значимых заболеваний, которые возможно остановить на ранней стадии.

Передо мной сейчас стоит конкретная задача: приучить общество к тому, что появился прибор с абсолютно новыми методологией и подходами, современным и понятным алгоритмом общения для контроля состояния организма, и выпустить его на большой рынок.

Наше устройство ― это серьезный аналитический прибор, достойный того, чтобы утвердить новый метод исследования организма человека. В России он уже зародился под названием «одориметрия»: мы меряем запах, можем различить отдельные молекулы и оценить, насколько они меняются. Если появляется что-то опасное, сенсоры об этом сообщат. Поэтому мы постоянно продолжаем искать новые покрытия, особенно среди наноматериалов, и эта работа не останавливается. Будем искать лучшее и совершенствовать то, что есть.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.

Фото на главной странице: Елена Юхина / предоставила Т.А. Кучменко