O ar que exalamos contém informações que podem ajudar no diagnóstico de doenças. Pesquisadores do Projeto Fraunhofer Hub para Microeletrônicos e Sistemas Óticos para Biomedicina MEOS estão agora desenvolvendo soluções projetadas para permitir a análise do gás respiratório para essa finalidade. Embora sua pesquisa se concentre na detecção precoce do câncer, o mesmo princípio também pode ser aplicado para distinguir entre COVID-19 e outras doenças respiratórias.

Algumas doenças têm um odor distinto. Um cheiro levemente adocicado e frutado de acetona, por exemplo, pode indicar diabetes. De fato, há relatos de médicos na Grécia Antiga que foram capazes de detectar doenças pelo cheiro do hálito de um paciente. Esses odores característicos são causados ​​por certos compostos orgânicos voláteis (VOCs) que são emitidos pelo tecido doente ou pelo próprio patógeno antes que os primeiros sintomas se manifestem.

O ar exalado fornece uma impressão digital do metabolismo do paciente

"Muitas doenças causam uma mudança na composição dos gases-traço orgânicos voláteis no ar exalado que podem ser usados ​​como biomarcadores, "explica a Dra. Jessy Schönfelder, pesquisador associado da Fraunhofer MEOS. "Muitas vezes é uma combinação de vários gases traço em uma concentração significativamente elevada ou significativamente reduzida que é característica de uma doença específica. Isso é conhecido como a impressão digital de VOC ou padrão de VOC." Fraunhofer MEOS em Erfurt é um centro de projeto interdisciplinar que envolve a participação dos Institutos Fraunhofer de Terapia Celular e Imunologia IZI, Microssistemas fotônicos IPMS, e Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão IOF.

Existem combinações de marcadores específicos para muito mais doenças do que se pensava. Cada um deles deve ser cuidadosamente decifrado. Esta é a tarefa que Schönfelder enfrenta, um químico por formação, e sua equipe. Juntos, eles agora estão desenvolvendo um espectrômetro especial de mobilidade de íons (IMS) com o qual identificar esses padrões de VOC. Dado que cada pessoa exala cerca de 200 VOCs, este não é um trabalho fácil. O foco desta pesquisa é a detecção do câncer - principalmente do câncer de pulmão.

A equipe de pesquisa do Fraunhofer MEOS espera que esta nova tecnologia seja capaz de detectar uma ampla gama de biomarcadores. Eles também querem usá-lo para distinguir entre COVID-19 e outras infecções respiratórias. Ele também está presente no projeto de cluster Fraunhofer M3Infekt, que está desenvolvendo um celular, modular, Sistema de monitoramento multimodal para permitir uma intervenção rápida no caso de uma súbita deterioração da condição dos pacientes com COVID-19. Além disso, espera-se que esse método de análise do gás respiratório possa fornecer uma indicação avançada de doenças neurodegenerativas, como o mal de Alzheimer. Isso não apenas forneceria um aviso mais cedo do que os métodos convencionais, como exames de sangue, mas também seria mais conveniente, uma vez que requer apenas que o paciente respire em um tubo.

"Há um grande potencial para sistemas de sensores na análise do gás respiratório, "Schönfelder explica." A tecnologia IMS não é invasiva, sensível e seletivo. E é rápido, barato e também compacto e portátil, portanto, não há razão para não ser usado em clínicas e hospitais. O produto final será do tamanho de uma caixa de sapatos. "

Um chip FAIMS com voltagem alternada

No coração deste novo sistema IMS está um chip miniaturizado de espectrometria de mobilidade iônica assimétrica de alto campo (FAIMS). O sistema microeletromecânico (MEMS) compreende um filtro de íons e um detector. O dispositivo também possui uma lâmpada UV. Na primeira instância, os VOCs - transportados em um gás portador - são bombeados para o espectrômetro, onde são ionizados por meio de luz ultravioleta. Em outras palavras, eles são transformados em moléculas carregadas. "Eles são então alimentados para o chip FAIMS, que foi desenvolvido por Fraunhofer IPMS, "diz Schönfelder." Uma voltagem alternada é então aplicada aos eletrodos do filtro. Ajustando a tensão no filtro, você pode controlar quais VOCs chegam ao detector. Isso gera uma impressão digital VOC, o que nos permite identificar a doença que procuramos. "

Atualmente, a equipe de pesquisa está trabalhando para aprimorar o sistema de controle eletrônico e para melhorar a extração e o processamento de amostras. Enquanto isso, medições de referência com culturas de células já foram realizadas com sucesso, e outras investigações com amostras clínicas humanas estão em andamento. Em um projeto recentemente concluído na Fraunhofer IZI, cientistas usando uma tecnologia semelhante foram capazes de distinguir sete cepas bacterianas diferentes.

Ao mesmo tempo, espera-se que algoritmos de IA especialmente desenvolvidos simplifiquem a avaliação de impressões digitais de VOC. "Cada medição gera meio milhão de leituras, "Schönfelder explica." Por isso, queremos usar o aprendizado de máquina para analisar esse enorme volume de dados. "O algoritmo é treinado usando amostras de sujeitos de teste saudáveis ​​e pacientes com câncer. Os resultados dessas medições estão disponíveis em poucos minutos." pode muito bem imaginar que nosso espectrômetro de mobilidade iônica possa um dia ser usado para rastrear passageiros de companhias aéreas, a fim de determinar se eles estão infectados com o coronavírus, " Ela adiciona.