[논문 리뷰] Breath analysis by ultra-sensitive broadband laser spectroscopy detects SARS-CoV-2 infection

Qizhong Liang, Ya-Chu Chan외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 04.

Advanced Chemical Sensor Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 구강 내 강화된 직접 주파수 조각 스펙트로스코피(CE-DFCS)가 인간의 숨에서 SARS-CoV-2 감염을 비침습적이고 빠르며 매우 민감하게 검출할 수 있음을 입증한다. 170개의 숨샘플을 사용하여 수확률 곡선 아래 면적(AUC)이 0.849(4)에 도달했으며, RT-PCR 결과와 뛰어난 일치를 보였다. 이 기술은 화학적 처리 없이도 부품-트릴리온 수준의 감도로 분자의 흡수 특징을 감지할 수 있으며, 향후 실시간, 화학 처리가 없는 숨 기반 진단법으로 유망한 대안을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 숨에서 SARS-CoV-2 감염을 비침습적으로 검출하기 위한 초고감도 광역 레이저 스펙트로스코피의 실현 가능성을 평가하는 것.
• 골드 표준인 RT-PCR와 비교하여 구강 내 강화된 직접 주파수 조각 스펙트로스코피(CE-DFCS)의 성능을 평가하는 것.
• 표본 준비 또는 열처리 없이도 바이러스 감염과 관련된 숨의 미세한 분자적 변화를 CE-DFCS가 감지할 수 있는 능력을 평가하는 것.
• CE-DFCS가 다양한 호흡기, 대사 및 위장관계 질환을 숨 분석을 통해 확장 가능한 비침습적 플랫폼으로 진단하는 데의 잠재력을 탐색하는 것.
• 고해상도 분자 스펙트로스코피 기반의 이식 가능하고 실시간 진단 도구의 향후 개발을 위한 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• CE-DFCS를 사용하여 2810–2945 cm⁻¹ 범위의 숨에서 광역 분자 흡수 스펙트럼을 측정하였으며, 이는 비활성 유기 화합물의 회전-진동 전이에 해당한다.
• 고정밀 광학 공진기로 빛-물질 상호작용을 강화하여 미량 기체 감지에 부품-트릴리온 수준의 감도를 달성하였다.
• 주파수 조각 레이저는 수천 개의 광학 주파수를 동시에 일관성 있게 측정함으로써 분자 지문의 신속한 확보를 가능하게 하였다.
• 비침습적으로 숨 샘플을 채취한 장치를 통해 170명(RT-PCR 양성 83명, 음성 87명)으로부터 데이터를 확보하였다.
• 다변량 통계 분석, 특히 부분 최소 제곱 분류 분석(PLS-DA)을 사용하여 스펙트럼 패tern 기반의 감염 상태를 분류하였다.
• 이 방법은 표본 전처리, 유도화 또는 열처리가 전혀 필요 없었으며, 천연 숨 조성 그대로를 유지하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CE-DFCS는 RT-PCR와 비슷한 민감도와 특이도로 숨에서 SARS-CoV-2 감염을 감지할 수 있는가?
• RQ2 접종을 받은, 바이러스 양이 낮은 젊은 인구 집단에서 CE-DFCS는 감염자와 비감염자를 어떻게 잘 구분하는가?
• RQ3 화학적 조작 없이도 숨의 분자 흡수 패턴이 바이러스 감염의 신뢰할 수 있는 생물학적 지표로 사용될 수 있는가?
• RQ4 CE-DFCS는 호스트 반응과 바이러스 성분을 구분할 수 있는 이성질체, 이소바르, 이소토프 특이 신호를 감지할 수 있는가?
• RQ5 CE-DFCS는 숨 분석을 통한 다른 호흡기, 대사 또는 위장관계 질환의 진단에 있어 어떤 잠재력을 지니는가?

주요 결과

• CE-DFCS는 SARS-CoV-2 양성자와 음성자를 구분하는 데 수확률 곡선 아래 면적(AUC)이 0.849(4)에 도달하여 강력한 진단 성능을 보였다.
• 이 기술은 RT-PCR 결과와 뛰어난 일치를 보이며, 흉부 도말 검사에 비해 비침습적인 대안으로서의 잠재력을 입증하였다.
• CE-DFCS는 흡연력, 성별, 위장 증상 여부에 따라 사람들을 잘 구분할 수 있었으며, 생리적 및 생활 습관 요인에 민감함을 보였다.
• 표본 가열, 정제 또는 화학 유도화 없이도 SARS-CoV-2 감염과 관련된 분자 서명을 감지할 수 있었다.
• CE-DFCS의 스펙트럼 범위는 바이러스 단백질의 스플라인 단백질과 같은 C-H 스트레치를 포함한 주요 생체분자의 진동-회전 밴드를 커버하며, 직접 바이러스 농도 측정 가능성을 시사한다.
• 미래에 딥 러닝 모델과 칩 규모의 소형화를 통합하면 이식 가능하고 저비용이며 널리 보급 가능한 숨 진단 장치 개발이 가능할 것이다.