Nuovo etilometro per malattie che annusa il COVID in tempo reale, potrebbe essere utilizzato per rilevare il cancro, le malattie polmonari.

10 maggio 2023

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a cura di Lisa Marshall, Università del Colorado a Boulder

Con ogni respiro, gli esseri umani emettono più di 1.000 molecole distinte, producendo un'impronta chimica unica o 'impronta del respiro' ricca di indizi su ciò che sta accadendo all'interno del corpo.

Da decenni, gli scienziati hanno cercato di sfruttare queste informazioni, rivolgendosi a cani, ratti e persino api per annusare letteralmente il cancro, il diabete, la tubercolosi e altro ancora.

Gli scienziati del CU Boulder e dell'Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia (NIST) hanno compiuto un importante passo avanti nella ricerca della diagnosi di malattie utilizzando il respiro esalato, riferendo che un nuovo breathalyzer basato su laser e alimentato dall'intelligenza artificiale (AI) può rilevare il COVID-19 in tempo reale con eccellente precisione.

I risultati sono stati pubblicati il 5 aprile sul Journal of Breath Research.

'I nostri risultati dimostrano la promessa dell'analisi del respiro come test alternativo, rapido e non invasivo per il COVID-19 e sottolineano il suo notevole potenziale per diagnosticare diverse condizioni e malattie', ha detto il primo autore Qizhong Liang, candidato al dottorato al JILA e Dipartimento di Fisica al CU Boulder. JILA è una partnership tra CU Boulder e NIST.

Il team multidisciplinare di fisici, biochimici e biologi sta ora spostando la sua attenzione su una vasta gamma di altre malattie nella speranza che il 'frequenza comb breathalyzer' - nato grazie alla tecnologia vincitrice del Premio Nobel del CU - possa rivoluzionare la diagnostica medica.

'C'è un futuro reale e prevedibile in cui si potrebbe andare dal medico e misurare il proprio respiro insieme alla propria altezza e peso... Oppure si potrebbe soffiare in un boccaglio integrato nel proprio telefono e ottenere informazioni sul proprio stato di salute in tempo reale', ha detto l'autore senior Jun Ye, fellow del JILA e professore aggiunto di fisica al CU Boulder. 'Il potenziale è infinito'.

Già nel 2008, il laboratorio di Ye aveva riferito che una tecnica chiamata spettroscopia a pettine di frequenza - essenzialmente utilizzando la luce laser per distinguere una molecola dall'altra - potrebbe potenzialmente identificare biomarcatori di malattia nel respiro umano.

La tecnologia mancava di sensibilità e, soprattutto, della capacità di collegare specifiche molecole a stati di malattia, quindi non l'hanno mai testata per la diagnosi delle malattie.

Ma il team di Ye ha migliorato la sensibilità di mille volte, consentendo la rilevazione di tracce di molecole a livello di parti per trilione. Hanno anche sfruttato il potere dell'AI.

'Le molecole aumentano o diminuiscono in concentrazione quando associati a specifiche condizioni di salute', ha detto Liang. 'L'apprendimento automatico analizza queste informazioni, identifica i modelli e sviluppa i criteri che possiamo utilizzare per prevedere una diagnosi'.

Con SARS-CoV-2 che si diffonde rapidamente in tutto il paese e la frustrazione che aumenta per i lunghi tempi di risposta dei test esistenti, era arrivato il momento di testare il sistema sulle persone. Come fisico, Ye non aveva mai lavorato con soggetti umani, quindi ha chiesto aiuto all'Istituto BioFrontiers del CU, un hub interdisciplinare per la ricerca biomedica che stava guidando il programma di test COVID del campus.

Tra maggio 2021 e gennaio 2022, il team di ricerca ha raccolto campioni di respiro da 170 studenti del CU Boulder che avevano, nelle precedenti 48 ore, fatto un test della reazione a catena della polimerasi (PCR), sia attraverso la somministrazione di un campione di saliva che di naso.

Metà erano risultati positivi, metà negativi. (Per motivi di sicurezza, i partecipanti volontari sono venuti in un parcheggio all'aperto del campus, hanno soffiato in una borsa per la raccolta del campione e l'hanno lasciata ad un tecnico di laboratorio che aspettava a una distanza sicura.)

Nel complesso, il processo ha richiesto meno di un'ora dalla raccolta al risultato.

Confrontati con il test COVID standard, i risultati del breathalyzer sono stati coerenti all'85%. Per la diagnostica medica, l'accuratezza dell'80% o più è considerata 'eccellente'.

I ricercatori sospettano che l'accuratezza sarebbe stata probabilmente più alta se i campioni di respiro e di saliva/naso fossero stati raccolti contemporaneamente.

A differenza di un tampone nasale, il breathalyzer è non invasivo. E a differenza di un campione di saliva, agli utenti non viene chiesto di astenersi dall'assunzione di cibo, bevande o fumo prima dell'utilizzo. Non richiede costosi prodotti chimici per scomporre il campione. Il nuovo test potrebbe, concepibilmente, essere usato su individui che non sono coscienti.

Ma c'è ancora molto da imparare, ha detto 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