[論文レビュー] Breath analysis by ultra-sensitive broadband laser spectroscopy detects SARS-CoV-2 infection

Qizhong Liang, Ya-Chu Chan+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2022

Advanced Chemical Sensor Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、キャビティ強化型直接周波数コンブスペクトロスコピー（CE-DFCS）が、化学処理を伴わず、非侵襲的かつ迅速かつ高感度にヒトの呼気におけるSARS-CoV-2感染を検出可能であることを示している。170例の呼気サンプルを用いて receiver operating characteristic曲線（ROC）下の面積（AUC）は0.849(4)を達成し、RT-PCRと優れた一致を示した。この技術は、化学的処理を要せず、ピピトリークル（parts-per-trillion）の感度で分子吸収特徴を検出可能であり、今後の即時の、化学処理を要しない呼気ベース診断法の有望な代替手段を提供する。

ABSTRACT

Rapid testing is essential to fighting pandemics such as COVID-19, the disease caused by the SARS-CoV-2 virus. Exhaled human breath contains multiple volatile molecules providing powerful potential for non-invasive diagnosis of diverse medical conditions. We investigated breath detection of SARS-CoV-2 infection using cavity-enhanced direct frequency comb spectroscopy (CE-DFCS), a state-of-the-art laser spectroscopic technique capable of a real-time massive collection of broadband molecular absorption features at ro-vibrational quantum state resolution and at parts-per-trillion volume detection sensitivity. Using a total of 170 individual breath samples (83 positive and 87 negative with SARS-CoV-2 based on Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction tests), we report excellent discrimination capability for SARS-CoV-2 infection with an area under the Receiver-Operating-Characteristics curve of 0.849(4). Our results support the development of CE-DFCS as an alternative, rapid, non-invasive test for COVID-19 and highlight its remarkable potential for optical diagnoses of diverse biological conditions and disease states.

研究の動機と目的

• 呼気からのSARS-CoV-2感染の非侵襲的検出に向けた超高感度広帯域レーザー分光法の実用可能性を評価すること。
• RT-PCR（SARS-CoV-2診断の基準法）と比較して、キャビティ強化型直接周波数コンブスペクトロスコピー（CE-DFCS）の性能を評価すること。
• CE-DFCSが、サンプル前処理や加熱処理を経ずに、ウイルス感染に伴う呼吸器内分子変化を検出できるかを評価すること。
• CE-DFCSが、呼気分析を用いて呼吸器系、代謝異常、消化器系疾患を広くスケーラブルに非侵襲的診断できる可能性を検討すること。
• 高分解能分子分光法に基づく、ポータブルで即時の診断ツールの今後の開発基盤を確立すること。

提案手法

• CE-DFCSを用いて、2810–2945 cm⁻¹の範囲で、揮発性有機化合物の回転振動遷移に対応する広帯域分子吸収スペクトルを呼気中に測定した。
• 高フィネスの光学キャビティにより、光と物質の相互作用を強化し、微量ガス検出にピピトリークル感度を実現した。
• 周波数コンブレーザーにより、数千の光学周波数を同時にコherentに測定可能となり、分子の指紋を迅速に取得した。
• 非侵襲的な呼気収集装置を用いて、170名（RT-PCR陽性83名、陰性87名）の個々の呼気サンプルを収集した。
• 多変量統計解析として、部分最小二乗法-判別分析（PLS-DA）を用い、スペクトルパターンに基づいて感染状態を分類した。
• 本手法は、サンプル前処理、エステル化、加熱処理を一切不要とせず、本来の呼気組成を保持した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CE-DFCSは、RT-PCRと同等の感度と特異度で、呼気中のSARS-CoV-2感染を検出可能か？
• RQ2 ウイルス負荷が低く、ワクチン接種済みで若年層の集団において、CE-DFCSは感染例と非感染例をいかに的確に区別できるか？
• RQ3 化学的処理なしに、呼気中の分子吸収パターンがウイルス感染の信頼できるバイオマーカーとして機能する程度は？
• RQ4 CE-DFCSは、ホストの応答とウイルス成分を区別できる、異性体、同一分子量異性体、同位体特異的信号を検出可能か？
• RQ5 CE-DFCSは、呼気分析を用いて呼吸器系、代謝異常、消化器系疾患の診断に広く応用可能である可能性は？

主な発見

• CE-DFCSは、SARS-CoV-2陽性者と陰性者を区別する受信者操作特性曲線（ROC）下の面積（AUC）が0.849(4)を達成し、優れた診断性能を示した。
• 本技術はRT-PCR結果と優れた一致を示し、ぬいぐるみ採取による検査の非侵襲的代替手段としての可能性を裏付けた。
• CE-DFCSは、喫煙歴、生物学的性別、消化器系症状の有無に基づいても個体を的確に区別でき、生理的および生活習慣要因への感受性を示した。
• サンプル加熱、精製、化学的エステル化処理を要せず、SARS-CoV-2感染に起因する分子シグナルを検出可能であった。
• CE-DFCSのスペクトル範囲は、スパイクタンパク質を含むウイルスタンパク質のC-H伸縮振動バンドをカバーしており、直接的なウイルス量の定量可能性を示唆している。
• 今後のディープラーニングモデルとの統合およびチップスケールのミニチュア化により、ポータブルで低コストかつ広範に展開可能な呼気診断デバイスの実現が期待される。