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

Con cada respiración, los humanos exhalan más de 1000 moléculas distintas, produciendo una huella química única o “huella de aliento” rica en pistas sobre lo que sucede dentro del cuerpo.

Durante décadas, los científicos han tratado de aprovechar esa información, recurriendo a perros, ratas e incluso abejas para detectar 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 importante paso adelante en la búsqueda para diagnosticar enfermedades utilizando el aliento exhalado, informando que un nuevo alcoholímetro basado en láser alimentado por inteligencia artificial (AI) puede detectar COVID-19. 19 en tiempo real con excelente precisión.

Los resultados fueron publicados el 5 de abril en el Revista de investigación de la respiración.

“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 afecciones y estados de enfermedad”, dijo el primer autor Qizhong Liang, Ph.D. candidato en JILA y el Departamento de Física en CU Boulder. JILA es una asociación entre CU Boulder y NIST.

El equipo multidisciplinario de físicos, bioquímicos y biólogos ahora está cambiando su enfoque a una amplia gama de otras enfermedades con la esperanza de que el “alcoholímetro de peine de frecuencia”, nacido de Tecnología ganadora del Premio Nobel de CU—podría revolucionar el diagnóstico médico.

“Hay un futuro real y previsible en el que podrías ir al médico y medir tu aliento junto con tu altura y peso… O podrías soplar en una boquilla integrada en tu teléfono y obtener información sobre tu salud en tiempo real, “, dijo el autor principal Jun Ye, miembro de JILA y profesor adjunto de física en CU Boulder. “El potencial es infinito”.

Una colaboración nacida de COVID

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

La tecnología carecía de sensibilidad y, lo que es más importante, de la capacidad de vincular moléculas específicas a estados de enfermedad, por lo que nunca la probaron para diagnosticar enfermedades.

Pero desde entonces, el equipo de Ye ha mejorado la sensibilidad mil veces, lo que permite la detección de moléculas traza 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 arrasando todo el país y la creciente frustración por los largos tiempos de respuesta para las pruebas existentes, había llegado el momento de probar el sistema en personas. Como físico, Ye nunca había trabajado con sujetos humanos, por lo que solicitó la ayuda del Instituto BioFrontiers de CU, un centro interdisciplinario para la investigación biomédica que dirigía el programa de pruebas de COVID del campus.

No invasivo, rápido, libre de químicos

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

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

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

En comparación con la PCR, la prueba COVID estándar de oro, los resultados del alcoholímetro coincidieron el 85% de las veces. Para diagnósticos médicos, una precisión del 80 % o más se considera “excelente”.

Los investigadores sospechan que la precisión probablemente habría sido mayor si las muestras de aliento y saliva/hisopado 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 pide a los usuarios que se abstengan de comer, beber o fumar antes de usarla. No requiere productos químicos costosos para descomponer la muestra. Y la nueva prueba podría, posiblemente, usarse en personas que no están conscientes.

Pero todavía queda mucho por aprender, dijo Ye.

“Con un respiro, podemos recopilar tantos puntos de datos tuyos, pero ¿entonces qué? Solo entendemos cómo algunas moléculas se correlacionan con condiciones específicas”, dijo Ye.

Construyendo un alcoholímetro más pequeño

Hoy en día, el “analizador de alcohol” consiste en una serie compleja de láseres y espejos del tamaño de una mesa de banquete.

Una muestra de aliento se introduce a través de un tubo mientras los láseres disparan luz invisible del infrarrojo medio a miles de frecuencias diferentes. Docenas de pequeños espejos hacen rebotar la luz de un lado a otro a través de las moléculas tantas veces que, al final, la luz viaja alrededor de 1,5 millas.

Debido a que cada tipo de molécula absorbe la luz de manera diferente, las muestras de aliento con una composición molecular diferente proyectan sombras distintas. La máquina puede distinguir entre esas diferentes sombras o patrones de absorción, reduciendo millones de puntos de datos a, en el caso de COVID, un simple positivo o negativo, en cuestión de segundos.

Ya se están realizando esfuerzos para miniaturizar dichos sistemas a escala de chip, lo que permite lo que Liang imagina como “monitoreo de la salud personal en tiempo real y sobre la marcha”. El potencial no termina ahí.

“¿Qué pasaría si pudieras encontrar una firma en el aliento que pudiera detectar el cáncer de páncreas incluso antes de que tuvieras síntomas? Ese sería el jonrón”, dijo la bióloga molecular y coautora Leslie Leinwand, directora científica de BioFrontiers y coautora de el estudio

En otros lugares, los científicos están trabajando para desarrollar un Atlas de la respiración humana, que mapea cada molécula en la exhalación humana y las correlaciona con los resultados de salud. Liang espera contribuir a tales esfuerzos con una colección de muestras de aliento a mayor escala.

Mientras tanto, el equipo está colaborando con especialistas pediátricos y respiratorios en el campus médico de CU Anschutz para explorar cómo el alcoholímetro no solo puede diagnosticar enfermedades, sino que también permite a los científicos comprenderlas mejor, ofreciendo pistas sobre las respuestas inmunitarias, las deficiencias nutricionales y otros factores que podrían contribuir. o exacerbar la enfermedad.

“Si piensas en los perros, evolucionaron durante miles de años para oler muchas cosas diferentes con una sensibilidad notable”, dijo Ye. “Estamos apenas al comienzo del entrenamiento de nuestra nariz basada en láser. Cuanto más la enseñemos, más inteligente será”.