Una máscara inteligente monitorea la respiración en busca de biomarcadores

Los dispositivos personales portátiles que monitorean la salud de las personas están en aumento. Desde relojes hasta parches y otros tipos de sensores, estos dispositivos inteligentes pueden monitorear la actividad cardíaca, los niveles de inflamación y más para ayudar a los pacientes a administrar mejor su salud desde la comodidad de sus hogares. Ahora se puede añadir a la lista un nuevo tipo de dispositivo portátil: una máscara de papel de alta tecnología que controla la respiración.

Caltech KV Gao, profesor de ingeniería médica, y sus colegas han desarrollado un prototipo de máscara inteligente que se puede utilizar para controlar varias afecciones médicas, incluidas enfermedades respiratorias como el asma, la EPOC (enfermedad pulmonar obstructiva crónica) y el post–contagio de COVID-19. Otras máscaras inteligentes que se están desarrollando y que monitorean cambios fisiológicos como la temperatura, la humedad o la frecuencia respiratoria, esta llamada EBCare, pueden analizar las sustancias químicas en el aliento en tiempo real. (“EBC” es un acrónimo utilizado en el campo que significa “condensado del aliento exhalado”). Por ejemplo, la máscara puede controlar los niveles de nitritos de los pacientes con asma, una sustancia química que se acumula en el aire.

“La monitorización respiratoria del paciente es algo que se hace de forma rutinaria, por ejemplo, para evaluar el asma y otras enfermedades respiratorias. Sin embargo, requiere una toma de muestras del paciente”, dice Gao. Hay que ir a la clínica, después de lo cual hay que esperar al laboratorio. resultados”, dice Gao. , investigador principal de un nuevo estudio que describe la máscara en la revista Science. “Desde el COVID-19, la gente usa más máscaras. Podemos aprovechar este mayor uso de máscaras para un monitoreo personalizado remoto y obtener información en tiempo real sobre nuestra salud en casa o en la oficina. Por ejemplo, podemos usar esta información para evaluar qué tan bien podría funcionar un tratamiento médico”.

Gao, que también es investigador del Heritage Medical Research Institute y becario Ronald y Jo Ann Willins, ya ha desarrollado una gama de biosensores portátiles que miden los niveles de metabolitos, nutrientes, hormonas y proteínas y analizan el sudor humano. En este caso, el objetivo de Gao era controlar la respiración, lo que conllevaba una nueva serie de desafíos.

Para analizar selectivamente las sustancias químicas o moléculas en el aliento de una persona, primero se debe enfriar y condensar en un líquido. En entornos clínicos, este paso de enfriamiento está separado del análisis. Las muestras de aliento húmedo se enfrían en cubos de hielo o en neveras portátiles muy refrigeradas. La nueva máscara de Gao, por el contrario, se autoenfría. El respirador se enfría mediante un sistema de enfriamiento pasivo que integra enfriamiento por evaporación de hidrogel con enfriamiento radiativo para enfriar eficazmente el respirador sobre la mascarilla.

“La mascarilla representa un nuevo paradigma para el manejo de enfermedades respiratorias y metabólicas y la medicina de precisión porque podemos obtener fácilmente muestras de aliento y analizar las moléculas químicas del aliento en tiempo real a través de la mascarilla diaria”, afirmó Wenzheng Heng, líder del estudio. Autor y estudiante de posgrado. estudiante en Caltech. “El condensado del aliento contiene gases disueltos, así como sustancias volátiles en forma de aerosoles o gotas, como sustancias metabólicas, marcadores inflamatorios y patógenos”.

Una vez que el aliento se convierte en líquido, una serie de capilares, pertenecientes a una clase de dispositivos conocidos como microfluidos bioinspirados, transportan rápidamente el líquido a un sensor para su análisis. “Aprendimos de las plantas cómo mover el agua”, dice Gao. “Las plantas utilizan fuerzas capilares para extraer agua del suelo”.

Luego, los resultados del análisis se transmiten de forma inalámbrica a un teléfono personal, tableta o computadora. “Se pueden fabricar máscaras inteligentes a un coste relativamente bajo”, afirma Gao. “Está diseñado para costar sólo 1 dólar en materiales”.

Para probar la máscara, el equipo realizó una serie de estudios en humanos, que se centraron principalmente en pacientes con asma o EPOC. Monitorizaron específicamente el aliento de los pacientes en busca de nitritos, un biomarcador de inflamación en ambas afecciones. Los resultados mostraron que la máscara detectó con precisión un biomarcador que indica inflamación en las vías respiratorias de los pacientes.

En otro estudio, el equipo demostró que la máscara detectaba con precisión los niveles de alcohol en sangre en sujetos humanos, lo que sugiere que la máscara podría usarse como una alternativa a las pruebas de conducción y consumo de alcohol en el lugar u otros medios para monitorear el consumo de alcohol. .

También vieron cómo las máscaras podrían usarse potencialmente para evaluar los niveles de urea en sangre en el seguimiento y tratamiento de la enfermedad renal. A medida que la función renal disminuye, los subproductos del metabolismo de las proteínas, como la urea, se acumulan en la sangre. Al mismo tiempo, la urea se acumula en la saliva, que se descompone en gas amoníaco, lo que provoca niveles más altos de amonio en el condensado respiratorio. Una nueva investigación muestra que las máscaras inteligentes pueden detectar con precisión los niveles de amonio, que reflejan fielmente los niveles de urea en sangre.

“Estos primeros estudios son una prueba de concepto”, afirma Gao. “Queremos ampliar esta tecnología para incluir diferentes marcadores relacionados con diferentes condiciones de salud”. Ésta es la base para crear una máscara que sirva como una plataforma versátil de seguimiento de la salud general”.

En cuanto a la comodidad de la mascarilla, los participantes informaron experiencias favorables, incluso aquellos con dificultades respiratorias.

“La plataforma SmartMask para la recolección y análisis de EBC representa un avance importante en la capacidad de monitorear la salud pulmonar en tiempo real”, investiga el Instituto Lundquist para la Innovación Biomédica de Harbor-UCLA, dice el coautor Harry Roseter, profesor de medicina y Carr. Facultad de Medicina David Geffen de UCLA. “La idea de que en el futuro se podrían incorporar biosensores para una amplia gama de compuestos pone de relieve el potencial revolucionario de las máscaras inteligentes para el seguimiento y el diagnóstico de la salud”.

La investigación, titulada “Una máscara inteligente para la recolección y análisis del condensado del aliento exhalado”, fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, el Programa de Investigación de Enfermedades Relacionadas con el Tabaco y la Actividad de Adquisición de Investigación Médica del Ejército de EE. UU. Otros autores de Caltech incluyen a los estudiantes de posgrado Shikun (Kevin) Yen, Kenran Wang, Hong Han y Jiahong Li, y a los postdoctorados Jihong Min, Ehsan Sherzai Sani y Yu Song, todos ex postdoctorados de Caltech.

Fuente: https://www.ucodigital.com.ar/