Prinsip Kerja Hidung Elektronik dalam Deteksi Volatile Organic Compound (VOC)

Senyawa VOC merupakan produk akhir dari metabolisme manusia, dapat berupa atau berkaitan dengan penyakit, yang umumnya diekskresikan melalui napas, urine, dan feses. Oleh karena itu, VOC dianggap dapat digunakan sebagai penanda dari penyakit tertentu dan dapat memiliki manfaat klinis karena bersifat noninvasif, murah, dan tidak menyebabkan nyeri.[3,4]

Sebelumnya, hidung elektronik merupakan salah satu instrumen mudah dan murah yang digunakan untuk menganalisis sampel gas. Instrumen ini menyerupai sistem olfaktorius mamalia yang dapat mengidentifikasi berbagai bau kompleks yang berbeda. Awalnya, teknologi ini dikembangkan untuk kepentingan komersial seperti kontrol kualitas makanan, pemantauan lingkungan, dan militer. Biosensor dari hidung elektronik telah terbukti efektif untuk mendeteksi keberadaan patogen penyebab foodborne disease, seperti Salmonella, dan bahkan Mycobacterium tuberculosis.[2,3]

Seiring dengan perkembangan teknologi, terdapat sejumlah bukti klinis yang memungkinkan penggunaan hidung elektronik dalam diagnosis penyakit tertentu, terutama penyakit respiratorik.[3,5]

Menurut Dragonieri et al, pengumpulan sampel napas untuk pemeriksaan ini terdiri dari beberapa tahapan, yaitu meminta pasien untuk bernapas secara normal selama 5 menit melalui non-rebreathing valve 3 arah. Filter VOC terdapat di port inspirasi dan filter silika di port ekspirasi untuk memungkinkan filtrasi VOC inspirasi dan pengeringan udara. Setelah inspirasi dalam yang maksimal, pasien kemudian diminta menghembuskan satu volume napas kapasitas vital ke dalam kantong Tedlar 10 L yang terhubung ke port ekspirasi dan reservoir silika.[3,5]

Sampel napas atau bau (input kimia) yang dipaparkan ke hidung elektronik akan memicu perubahan fisik pada sensor yang dideteksi oleh transduser dan diubah menjadi sinyal elektrik. Setelah itu, akan tercipta suatu tanda spesifik yang disebut smellprint.[3,6]

Naik turunnya gelombang sinyal tergantung pada beberapa parameter, yaitu sifat bau (tipe dan konsentrasi senyawa), reaksi dan difusi antara bau dan sensor, tipe sensor, serta kondisi lingkungan.[3,4]

Metode pemeriksaan bau lain yang berdasarkan analisis spektrometri juga dapat mengidentifikasi senyawa yang ada di sampel udara dan bermanfaat untuk studi patofisiologi. Namun, metode  ini memakan waktu, mahal, dan membutuhkan operator yang terampil sehingga tidak praktis untuk dipraktikkan sehari-hari.

Oleh karena itu, peneliti menduga bahwa hidung elektronik mungkin bermanfaat untuk mengurangi keterbatasan dari metode tersebut karena relatif murah dan memberikan hasil analisis yang cepat.[3,4]

Bukti Ilmiah terkait Penggunaan Hidung Elektronik untuk Diagnosis COVID-19 dan Penyakit Respirasi Lainnya

Suatu studi literatur yang dilakukan oleh Farraia et al mencoba mempelajari kemampuan eNose sebagai alat diagnostik pada situasi klinis. Studi menggunakan pencarian PRISMA-oriented di PubMed dan Cochrane dan berhasil mengumpulkan 48 artikel original, 21 artikel ulasan, dan 7 dokumen lain yang memenuhi kriteria inklusi.

Penyakit yang paling banyak (18 artikel original) dipelajari adalah penyakit obstruksi jalan napas, yaitu asma, penyakit paru obstruktif kronis (PPOK), dan obstructive sleep apnea syndrome (OSAS). Alat eNose yang paling banyak digunakan adalah Cyranose 320.[6]

Penyakit lain yang diuji terbagi dalam 4 kelompok, yaitu infeksi saluran respiratorik; penyakit inflamasi, seperti sarkoidosis, inflammatory bowel disease, arthritis, inflammatory answer to ozone; acute respiratory distress syndrome (ARDS); dan kanker.[6,7]

Efikasi Hidung Elektronik dalam Deteksi Penyakit Obstruksi Jalan Napas

Studi pertama yang menganalisis breathprint dengan menggunakan hidung elektronik dilakukan pada pasien dengan asma ringan dan berat. Studi ini melaporkan bahwa hidung elektronik dapat membedakan pasien asma dan subjek yang sehat dengan akurasi sebesar 90%. Hasil ini kemudian dikonfirmasi lagi dalam studi lain di mana sensitivitas dan spesifisitas pemeriksaan adalah sebesar 80% dan 65%.[6]

Sementara itu, Dragonieri et al membuktikan bahwa PPOK dan nonsmall cell lung cancer (NCLC) dapat dibedakan dengan hidung elektronik dengan cross-validation value (CVV) sebesar 85%. Pasien dengan NCLC juga dapat dibedakan dengan individu sehat dengan CVV sebesar 80% hingga 90%.[6]

Studi dari Fens et al menemukan gambaran breathprint yang berbeda di antara pasien asma dan PPOK dengan akurasi sekitar 96%.[6]

Efikasi Hidung Elektronik dalam Deteksi Penyakit Kanker Paru

Tirzīte et al menggunakan  Cyranose 320 eNose untuk membandingkan profil napas antara 252 pasien dengan kanker paru dan 223 pasien tanpa kanker. Jenis kanker yang diteliti adalah karsinoma sel skuamosa, adenokarsinoma, undifferentiated non-small cell lung cancer, small cell lung cancer, dan large cell lung cancer.

Analisis subgrup dilakukan pada pasien yang merokok dan tidak merokok. Hasil dari studi ini melaporkan bahwa 128 dari 133 pasien kanker yang tidak merokok dan 114 dari 119 pasien kanker yang merokok didiagnosis dengan tepat menggunakan hidung elektronik, dengan sensitivitas masing-masing adalah 96,2% dan 95,8%.[8]

Sementara itu, studi oleh van de Goor et al menggunakan Aeonose mencoba membandingkan 60 pasien kanker paru (small cell and non-small cell lung cancer) dengan 107 subjek kontrol yang sehat. Studi ini memperoleh akurasi diagnostik sebesar 83%, sensitivitas sebesar 83%, dan spesifitas sebesar 84%.[9]

Efikasi Hidung Elektronik dalam Deteksi COVID-19

Sejauh ini, belum terdapat bukti ilmiah yang menyatakan bahwa hidung elektronik benar-benar dapat mendeteksi COVID-19. Namun, terdapat satu studi proof-of-principle oleh Wintjens et al yang menggunakan teknologi hidung elektronik (Aeonose) untuk membedakan antara pasien positif COVID-19 dan negatif COVID-19 berdasarkan analisis VOC. Studi melibatkan 219 partisipan di mana 57 diantaranya positif COVID-19. Sensitivitas yang dilaporkan adalah 86% dengan nilai prediksi negatif adalah 92%.[1]

Keterbatasan Teknologi Hidung Elektronik

Terdapat beberapa keterbatasan dari teknologi hidung elektronik sebagai alat diagnostik yang noninvasif. Salah satunya adalah bahwa hidung elektronik tidak dapat mengidentifikasi dan menguantifikasi senyawa yang diperiksa dalam satu sampel. Hidung elektronik hanya mendeteksi pola breathprint dan bukan molekul tertentu.[3,4]

Selain itu, kemampuan hidung elektronik dalam membedakan berbagai virus respiratorik yang umum juga belum begitu pasti. Keterbatasan lainnya adalah masalah saat pengambilan sampel napas, di mana VOC eksogen dari lingkungan mungkin akan masuk ke dalam sampel napas pasien. Breathprint sangat tergantung pada metode pengambilan dan sampling napas ekshalasi.[3,4]

Dari studi literatur yang dilakukan oleh Farraia et al, hanya 50% dari studi yang menggunakan metode sampling napas dari Dragonieri et al. Oleh karena itu, butuh satu metode sampling napas yang terstandar sehingga memungkinkan dilakukannya perbandingan antarstudi, sehingga akurasi diagnostik dapat ditingkatkan.

Selain itu, peneliti juga diharapkan dapat menerapkan proses sampling napas yang ketat, termasuk mencatat makanan dan minuman yang dikonsumsi subjek sebelum sampling.[3,6]

Keterbatasan lain dari teknologi hidung elektronik adalah belum tervalidasinya teknologi ini, sehingga belum dapat digunakan sebagai alat diagnostik tunggal dalam situasi klinis.[4,5]

Keterbatasan Hidung Elektronik yang Dipasarkan di Indonesia untuk Deteksi COVID-19

Universitas Gadjah Mada telah meneliti Genosvid sebagai alat deteksi dini untuk COVID-19. Limitasi hidung elektronik yang dipasarkan di Indonesia ini adalah belum adanya laporan ilmiah resmi yang telah dipublikasikan mengenai manfaat dan akurasinya dalam mendeteksi COVID-19. Selain itu, belum terdapat pula suatu bukti bahwa setiap infeksi COVID-19 akan menghasilkan VOC yang spesifik.[10]

Di samping itu, karena dilakukan oleh personel nonmedis di tempat-tempat publik seperti stasiun kereta api, bandara, dan pelabuhan, teknologi hidung elektronik berpotensi besar memicu penularan. Selain itu, belum begitu jelas juga mengenai metode kontrol infeksi terkait ini, terutama manajemen limbah pascapemeriksaan hidung elektronik.[1,2]

Kesimpulan

Teknologi hidung elektronik merupakan pemeriksaan yang meniru mekanisme sistem olfaktorius mamalia untuk mengidentifikasi berbagai bau kompleks yang berbeda. Awalnya, teknologi ini dikembangkan untuk kepentingan komersial seperti kontrol kualitas makanan, pemantauan lingkungan, dan militer. Seiring dengan perkembangan teknologi, terdapat sejumlah bukti klinis yang memungkinkan penggunaan hidung elektronik dalam diagnosis penyakit tertentu, terutama penyakit respiratorik, seperti penyakit obstruksi jalan napas dan kanker paru.

Dengan peningkatan kebutuhan suatu metode diagnostik COVID-19 yang noninvasif, mudah, dan murah, penggunaan hidung elektronik diduga dapat menjadi salah satu alternatif yang dapat dipertimbangkan untuk deteksi dini COVID-19.

Namun, belum terdapat bukti klinis yang cukup untuk membuktikan akurasi dari hidung elektronik untuk mendeteksi COVID-19. Selain itu, belum terdapat kepastian bahwa COVID-19 akan menghasilkan VOC tertentu. Beberapa keterbatasan dari teknologi hidung elektronik ini juga seharusnya dipertimbangkan sebelum memutuskan menggunakan instrumen ini sebagai alat deteksi dini tunggal.

Meski demikian, penelitian terhadap teknologi ini tetap perlu dikembangkan. Diharapkan kedepannya ada studi prospektif berskala besar untuk memastikan efektivitas dan memvalidasi teknologi ini, sehingga memungkinkan untuk digunakan sebagai alat deteksi dini COVID-19 yang lebih murah, mudah, dan noninvasif.