Una mascarilla para detectar la neumonía con el aliento: el MIT inventa un sensor capaz de hacer diagnósticos en minutos

Rapidez en el diagnóstico y comodidad para el paciente, estos son los dos grandes retos que se ha marcado la comunidad científica y médica. Tecnologías como la inteligencia artificial o nuevos sensores prometen propiciar una nueva revolución con la que dejar atrás las pruebas médicas más incómodas y dar un tratamiento más rápido que salve vidas.

Un ejemplo de esta nueva tendencia es el último trabajo de un equipo del MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts) quienes han presentado una nueva tecnología para permitir diagnósticos rápidos de neumonía y otras afecciones pulmonares.

La neumonía consiste en la inflamación de los pulmones que puede tener múltiples causas. El aumento de los últimos años se relaciona con el Covid-19 y las epidemias de gripe, pero también por las bacterias resistentes a los antibióticos. Las muertes por neumonía, además, aumentaron un 36,5% en 2023.

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Los investigadores explican que la principal novedad de su invento está en la facilidad de detectar estos biomarcadores en un dispositivo portátil que puede usarse tanto en entornos clínicos como en domésticos. Hasta ahora para una prueba así se requerían instrumentos de laboratorio, por lo que las pruebas tardaban tiempo en dar resultados.

Con este nuevo sensor sería tan sencillo como respirar en un tubo. “En la práctica, prevemos que un paciente inhalaría nanopartículas y, en unos 10 minutos, exhalaría un biomarcador sintético que informaría sobre el estado de sus pulmones”, explica Aditya Garg, investigador postdoctoral del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, y principal autor del estudio.

Un diminuto sensor

El análisis del aliento está siendo un recurso más de muchos que la comunidad científica quiere usar para jubilar pruebas más incómodas y costosas: desde los análisis de sangre hasta los TAC. Se persigue un trato menos invasivo para el paciente y obtener los resultados antes para tratar las enfermedades cuanto antes.

El nuevo sensor PlasmoSniff junto a una moneda de un céntimo de dolar MIT Omicrono

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“Nuestro próximo objetivo es contar con un sistema de recolección de aliento, como una mascarilla en la que se pueda respirar”, explica Garg. El nuevo sensor se encarga de atrapar y detectar compuestos sintéticos, biomarcadores que sirven de señal ante la presencia de una enfermedad pulmonar. Estos compuestos se adhieren a nanopartículas que el paciente debe inhalar primero.

“El paciente usaría primero un inhalador para el asma, por ejemplo, para inhalar las nanopartículas. Luego, respiraría a través del sensor de la mascarilla durante cinco minutos. Posteriormente, podríamos integrar un espectrómetro Raman portátil para detectar cualquier biomarcador exhalado en cuestión de minutos”, explica Garg.

Tac pulmonar

Al exhalar, los pacientes sanos harían circular las nanopartículas intactas. Sin embargo, en aquellos con enfermedades pulmonares como una neumonía, las enzimas producidas por la infección eliminarían los biomarcadores de las nanopartículas.

Estos biomarcadores actúan como diminutas etiquetas que solo pueden desbloquearse y separarse de la nanopartícula mediante una clave muy específica, como la enzima relacionada con la neumonía.

La nueva prueba se ha denominado "PlasmoSniff" y es capaz de detectar estos biomarcadores de neumonía en el aliento en concentraciones extremadamente bajas.

Buscando una aguja en un pajar

Este equipo se ha especializado en la espectroscopia, una técnica que usa la luz para identificar características clave en una sustancia química o molécula. Este nuevo sensor nace de un trabajo previo publicado en 2020 en el que el grupo fue capaz de detectar biomarcadores fragmentados de neumonía en el aliento de ratones infectados.

Seleem Badawy coloca el chip PlasmoSniff en el microscopio Raman. MIT Omicrono

La muestra que inhalaban los roedores era realmente baja, de 10 partes por mil millones. A pesar de la dificultad, los investigadores lograron detectar los compuestos mediante espectrometría de masas, una tecnología altamente sensible pero que requiere instrumentación voluminosa y costosa, poco accesible en entornos clínicos. En este último trabajo de investigación, han conseguido aplicar esta tecnología en un sistema de bolsillo.

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Las moléculas vibran de forma característica, un efecto provocado por los movimientos de los átomos dentro de sus enlaces químicos. Estas vibraciones pueden detectarse mediante espectroscopia Raman, una técnica óptica en la que las moléculas se iluminan con luz.

La luz reflejada presenta cambios de energía al interaccionar con las vibraciones de la molécula, lo que permite a los investigadores identificarlas usando estas huellas vibracionales distintivas. Aún así, este proceso es "como buscar una aguja en un pajar”, ​​dice Tadesse.

Detectar los biomarcadores implica aislar unas pocas moléculas de la densa nube de partículas exhaladas. También es necesario potenciar la señal vibracional del biomarcador, ya que la luz dispersada por una sola molécula es intrínsecamente muy débil.

“Nuestro método detecta esa aguja que, de otro modo, estaría perdida entre el ruido”, Loza Tadesse, profesora adjunta de ingeniería mecánica en el MIT. El nuevo sensor del equipo está diseñado para atrapar biomarcadores específicos como si fuera un velcro y potenciar su señal vibracional.

Loza Tadesse (izquierda) y Aditya Garg aparecen junto al microscopio Raman. MIT Omicrono

El núcleo del sensor está formado por una fina película de oro, sobre la cual se coloca una capa de nanopartículas de oro. Estas nanopartículas están recubiertas con una capa de sílice porosa, lo que genera un espacio de 5 nanómetros entre las nanopartículas y la película de oro. La sílice está modificada para unirse fuertemente a las moléculas de agua.

Es así como se atrapan los biomarcadores, pues el hidrógeno del agua, se une a los biomarcadores específicos. Si algún biomarcador atraviesa el espacio del sensor, se adhiere a las moléculas de agua como si fueran velcro.

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El siguiente paso es potenciar la señal, para ello el sensor se ha diseñado de forma que amplifica la luz mediante resonancia plasmódica. Los biomarcadores atrapados en estos espacios experimentan un campo electromagnético mucho más intenso, lo que amplifica su señal de dispersión Raman.

El equipo ha demostrado que el sensor detecta rápidamente biomarcadores de neumonía en concentraciones extremadamente bajas y clínicamente relevantes. Para las pruebas de laboratorio fue necesario simular la exhalación.

Esto se consiguió calentando hasta evaporar el líquido de muestra obtenido de los pulmones de ratones sanos al que se añadieron biomarcadores de neumonía previamente diseñados por el equipo. Colocaron el nuevo sensor en la parte inferior de la tapa del vial y utilizaron un espectrómetro Raman para medir la luz dispersada al pasar el vapor del líquido a través del sensor.