O reconhecimento do padrão de respiração é uma plataforma de diagnóstico futurística. A simples caracterização das concentrações de gases-alvo do ar exalado humano levará ao diagnóstico da doença, bem como da condição física.

Um grupo de pesquisa sob o comando do Prof. Il-Doo Kim no Departamento de Ciência de Materiais da KAIST desenvolveu sensores de diagnóstico usando nanocatalisadores encapsulados em proteínas, que pode diagnosticar certas doenças analisando a respiração humana exalada. Essa tecnologia permite o monitoramento precoce de várias doenças por meio do reconhecimento de padrões de gases biomarcadores relacionados a doenças na expiração humana.

A rota de síntese de catalisador modelado por proteína é muito simples e versátil para produzir não apenas um único componente de nanopartículas catalíticas, mas também diversos catalisadores intermetálicos heterogêneos com tamanhos menores que 3 nm. A equipe de pesquisa desenvolveu sensores quimiossistivos cada vez mais sensíveis e seletivos, que podem diagnosticar doenças específicas por meio da análise dos gases expirados.

Os resultados deste estudo, que foram contribuídos pelo Dr. Sang-Joon Kim e Dr. Seon-Jin Choi como primeiros autores foram selecionados como o artigo de capa na edição de julho da Contas de pesquisa química , um jornal internacional da American Chemical Society.

Na respiração humana, diversos componentes são encontrados, incluindo vapor de água, hidrogênio, acetona, tolueno, amônia, sulfato de hidrogênio, e monóxido de carbono, que são exalados mais excessivamente dos pacientes. Alguns desses componentes estão intimamente relacionados a doenças como asma, câncer de pulmão, diabetes mellitus tipo 1, e halitose.

A análise da respiração para o diagnóstico de doenças começou com a captura de respirações exaladas em uma bolsa Tedlar e, subsequentemente, os gases respiratórios capturados foram injetados em um sistema de sensor miniaturizado, semelhante a um detector de álcool. É possível analisar a respiração exalada muito rapidamente com um processo de análise simples. A análise da respiração pode detectar traços de alterações nos componentes da respiração exalada, que contribuem para o diagnóstico precoce de doenças.

Contudo, avanços tecnológicos são necessários para analisar com precisão os gases na respiração, que ocorrem em níveis muito baixos, de 1 ppb a 1 ppm. Em particular, tem sido um desafio crítico para os sensores químicos do tipo quimiossistivo detectar seletivamente biomarcadores específicos em milhares de gases interferentes, incluindo vapor úmido.

Convencionalmente, catalisadores metálicos nobres, como platina e paládio, foram funcionalizados em camadas de detecção de óxido de metal. Contudo, a sensibilidade ao gás não foi suficiente para detectar os níveis de ppb de espécies de biomarcadores no ar exalado.

Para superar as limitações atuais, a equipe de pesquisa utilizou proteína em nanoescala (apoferritina) em animais como modelos de sacrifício. Os modelos de proteína possuem nanocages ocos no local do núcleo e várias nanopartículas catalíticas de liga podem ser encapsuladas dentro dos nanocages de proteína.

Os nanocages de proteína são vantajosos porque um número quase ilimitado de composições de materiais na tabela periódica pode ser montado para a síntese de nanopartículas catalíticas heterogêneas. Além disso, nanocatalisadores intermetálicos com uma razão atômica controlada de dois elementos diferentes podem ser alcançados usando os nanocatalisadores de proteína, que é uma estratégia inovadora para encontrar novos tipos de catalisadores. Por exemplo, catalisadores à base de platina altamente eficientes podem ser sintetizados, como platina-paládio (PtPd), platina-níquel (PtNi), platina-rutênio (PtRu), e platina-ítrio (PtY).

A equipe de pesquisa desenvolveu excelentes camadas de detecção consistindo de nanofibras de óxido de metal funcionalizadas pelos catalisadores heterogêneos com áreas de superfície grandes e altamente porosas, que são especialmente otimizados para a detecção seletiva de biomarcadores específicos. O desempenho de detecção do biomarcador foi melhorado aproximadamente 3 ~ 4 vezes em comparação com o componente único convencional de sensores de nanofibra carregados com catalisadores de platina e paládio. Em particular, As transições de resistência de 100 vezes para acetona (1 ppm) e sulfeto de hidrogênio (1 ppm) foram observadas em sensores de respiração exalada usando os nanocatalisadores heterogêneos, que é o melhor desempenho já relatado na literatura.

A equipe de pesquisa desenvolveu uma plataforma de diagnóstico de doenças que reconhece padrões de respiração individuais usando um sistema de matriz de sensores múltiplos com diversas camadas de detecção e catalisadores heterogêneos, para que as pessoas possam identificar facilmente anormalidades de saúde. Usando um sistema de matriz de 16 sensores, as condições físicas podem ser monitoradas continuamente por meio da análise das mudanças de concentração de biomarcadores nos gases respiratórios exalados.

Prof. Kim disse, "Novos tipos de nanocatalisadores heterogêneos foram sintetizados usando modelos de proteína com tamanhos em torno de 2 nm e funcionalizados em várias camadas de detecção de nanofibras de óxido de metal. As bibliotecas de detecção estabelecidas podem detectar espécies de biomarcadores com alta sensibilidade e seletividade." Ele adicionou, "a nova e inovadora plataforma de análise de gás respiratório será muito útil para reduzir despesas médicas e monitoramento contínuo das condições físicas"

Patentes relacionadas a essa tecnologia foram licenciadas para duas empresas em março e junho deste ano.