Nuevo alcoholímetro para enfermedades detecta COVID en tiempo real, podría usarse para detectar cáncer y enfermedades pulmonares.

10 de mayo de 2023

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por Lisa Marshall, Universidad de Colorado en Boulder

Con cada respiración, los humanos exhalan más de 1,000 moléculas distintas, produciendo una huella química única o un 'breathprint' rico en pistas sobre lo que está sucediendo dentro del cuerpo.

Durante décadas, los científicos han tratado de aprovechar esa información, recurriendo a perros, ratas e incluso abejas para olfatear literalmente el cáncer, la diabetes, la tuberculosis y más.

Científicos de CU Boulder y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han dado un gran paso adelante en la búsqueda de diagnosticar enfermedades usando el aliento exhalado, informando que un nuevo alcoholímetro basado en láser alimentado por inteligencia artificial (IA) puede detectar COVID-19 en tiempo real con excelente precisión.

Los resultados fueron publicados el 5 de abril en el Journal of Breath Research.

'Nuestros resultados demuestran la promesa del análisis del aliento como una prueba alternativa, rápida y no invasiva para COVID-19 y destacan su notable potencial para diagnosticar diversas condiciones y estados de enfermedad', dijo el primer autor Qizhong Liang, un candidato a doctorado en JILA y el Departamento de Física de CU Boulder. JILA es una asociación entre CU Boulder y NIST.

El equipo multidisciplinario de físicos, bioquímicos y biólogos ahora está centrando su atención en una amplia gama de otras enfermedades con la esperanza de que el 'alcoholímetro de peine de frecuencia' -nacido de la tecnología ganadora del Premio Nobel de CU- pueda revolucionar los diagnósticos médicos.

'Existe un futuro real y previsible en el que podría ir al médico y medir su respiración junto con su altura y peso ... O podría soplar en un boquilla integrada en su teléfono y obtener información sobre su salud en tiempo real', dijo el autor principal Jun Ye, becario de JILA y profesor adjunto de física en CU Boulder. 'El potencial es infinito'.

Ya en 2008, el laboratorio de Ye informó que una técnica llamada espectroscopía de peine de frecuencia, esencialmente utilizando luz láser para distinguir una molécula de otra, podría potencialmente identificar biomarcadores de enfermedades en el aliento humano.

La tecnología carecía de sensibilidad y, más importante aún, la capacidad de vincular moléculas específicas con estados de enfermedad, por lo que nunca la probaron para el diagnóstico de enfermedades.

Pero el equipo de Ye ha mejorado la sensibilidad mil veces, permitiendo la detección de moléculas rastros en el nivel de partes por trillón. También han aprovechado el poder de la IA.

'Las moléculas aumentan o disminuyen en concentraciones cuando se asocian con condiciones de salud específicas', dijo Liang. 'El aprendizaje automático analiza esta información, identifica patrones y desarrolla criterios que podemos usar para predecir un diagnóstico'.

Con el SARS-CoV-2 extendiéndose por todo el país y la frustración aumentando por los largos tiempos de respuesta de las pruebas existentes, llegó el momento de probar el sistema en personas. Como físico, Ye nunca había trabajado con sujetos humanos, por lo que solicitó ayuda del Instituto BioFrontiers de CU, un centro interdisciplinario de investigación biomédica que encabezaba el programa de pruebas COVID del campus.

Entre mayo de 2021 y enero de 2022, el equipo de investigación recopiló muestras de aliento de 170 estudiantes de CU Boulder que habían realizado, en las 48 horas anteriores, una prueba de reacción en cadena de la polimerasa (PCR), ya sea mediante la presentación de una muestra de saliva o una nasal.

La mitad había dado positivo y la mitad negativo. (Por razones de seguridad, los voluntarios participantes acudieron a un estacionamiento al aire libre del campus, soplaron en una bolsa de recolección de muestras y la dejaron para que un técnico de laboratorio esperara a una distancia segura.)

En general, el proceso llevó menos de una hora desde la recolección hasta el resultado.

Cuando se compararon con la PCR, la prueba COVID estándar de oro, los resultados del alcoholímetro coincidieron el 85% del tiempo. Para el diagnóstico médico, se considera que la precisión del 80% o más es 'excelente'.

Los investigadores sospechan que la precisión probablemente habría sido mayor si las muestras de aliento y muestras de saliva / hisopo nasal se hubieran recolectado al mismo tiempo.

A diferencia de un hisopo nasal, el alcoholímetro no es invasivo. Y a diferencia de una muestra de saliva, no se les pide a los usuarios que se abstengan de comer, beber o fumar antes de usarlo. No requiere productos químicos costosos para descomponer la muestra. Y la nueva prueba podría, concebiblemente, utilizarse en personas que no estén conscientes.

Pero aún hay mucho por aprender, dijo Ye.

'With one breath, we can collect so many data points from you, but then what? We only understand how a few molecules correlate with specific conditions,' Ye said.

Today, the 'breathalyzer' consists of a complex array of lasers and mirrors about the size of a banquet table.

A breath sample is piped in through a tube as lasers fire invisible mid-infrared light at it at thousands of different frequencies. Dozens of tiny mirrors bounce the light back and forth through the molecules so many times that in the end, the light travels about 1.5 miles.

Because each kind of molecule absorbs light differently, breath samples with a different molecular make-up cast distinct shadows. The machine can distinguish between those different shadows or absorption patterns, boiling millions of data points down to—in the case of COVID—a simple positive or negative, in a matter of seconds.

Efforts are already underway to miniaturize such systems to a chip scale, allowing for what Liang imagines as 'real-time, self-health monitoring on the go.' The potential does not end there.

'What if you could find a signature in breath that could detect pancreatic cancer before you were even symptomatic. That would be the home run,' said molecular biologist and co-author Leslie Leinwand, chief scientific officer for BioFrontiers and a co-author on the study

Elsewhere, scientists are working to develop a Human Breath Atlas, which maps each molecule in the human exhale and correlates them with health outcomes. Liang hopes to contribute to such efforts with a larger-scale collection of breath samples.

Meanwhile, the team is collaborating with pediatric and respiratory specialists at the CU Anschutz Medical Campus to explore how the breathalyzer can not only diagnose diseases but also enable scientists to better understand them, offering hints about immune responses, nutritional deficiencies and other factors that could contribute to or exacerbate illness.

'If you think about dogs, they evolved over thousands of years to smell many different things with remarkable sensitivity,' said Ye. 'We are just at the very beginning of training our laser-based nose. The more we teach it, the smarter it will be come.'

Journal information: Journal of Breath Research

Provided by University of Colorado at Boulder