Diagnosticar algunas enfermedades podría ser tan sencillo como respirar en un tubo. Ingenieros del MIT han desarrollado una prueba para detectar compuestos relacionados con enfermedades en el aliento del paciente. Esta nueva prueba podría agilizar el diagnóstico de neumonía y otras afecciones pulmonares. En lugar de someterse a una radiografía de tórax o esperar horas por los resultados de un análisis de laboratorio, un paciente podría, en un futuro, realizar una prueba de aliento y obtener un diagnóstico en cuestión de minutos.

La nueva prueba de aliento consiste en un sensor portátil del tamaño de un chip que atrapa y detecta compuestos sintéticos, o «biomarcadores», de enfermedades, los cuales se adhieren inicialmente a nanopartículas inhalables. Estos biomarcadores actúan como diminutas etiquetas que solo pueden desbloquearse y separarse de la nanopartícula mediante una clave muy específica, como una enzima relacionada con la enfermedad.

La idea es que la persona inhale primero las nanopartículas, de forma similar a como se inhala un medicamento para el asma. Si la persona está sana, las nanopartículas circularían fuera del cuerpo intactas. Sin embargo, si padece una enfermedad como la neumonía, las enzimas producidas por la infección eliminarían los biomarcadores de las nanopartículas. Estos biomarcadores libres se exhalarían y se medirían, confirmando así la presencia de la enfermedad.

Hasta ahora, la detección de estos biomarcadores en el aliento requería instrumentos de laboratorio que no están disponibles en la mayoría de los consultorios médicos. El equipo del MIT ha demostrado que puede detectar biomarcadores de neumonía en el aliento a concentraciones extremadamente bajas utilizando una nueva prueba de aliento portátil a escala de chip, a la que han denominado «PlasmoSniff».

Planean incorporar el nuevo sensor en un instrumento portátil que podría utilizarse en entornos clínicos o domésticos para diagnosticar rápidamente la neumonía y otras enfermedades.

“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. “Nuestra nueva tecnología PlasmoSniff permitiría detectar estos biomarcadores exhalados en cuestión de minutos en el punto de atención”.

Garg es el autor principal de un estudio que detalla el nuevo diseño de sensor del equipo. El estudio se publicó en línea en la revista Nano Letters . Entre los coautores del MIT se encuentran Marissa Morales, Aashini Shah, Daniel Kim, Ming Lei, Jia Dong, Seleem Badawy, Sahil Patel, Sangeeta Bhatia y Loza Tadesse.

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PlasmoSniff es un proyecto liderado por Loza Tadesse, profesora adjunta de ingeniería mecánica en el MIT. El grupo de Tadesse desarrolla dispositivos de diagnóstico que pueden utilizarse directamente en consultorios médicos y otros entornos de atención médica. Su trabajo se especializa en espectroscopia, utilizando la luz para identificar características clave en una sustancia química o molécula.

Hace varios años, Tadesse se asoció con Sangeeta Bhatia, profesora titular de Ciencias de la Salud y Tecnología, así como de Ingeniería Eléctrica e Informática en el MIT. El grupo de Bhatia se centra, en parte, en el desarrollo de sensores de nanopartículas: partículas diminutas que pueden ser marcadas con un biomarcador sintético. Bhatia puede diseñar estos biomarcadores para que se desprendan de la nanopartícula únicamente en presencia de enzimas proteasas específicas producidas por ciertas enfermedades.

En un trabajo publicado  en 2020 , el grupo de Bhatia demostró que podía detectar biomarcadores fragmentados de neumonía en el aliento de ratones infectados. Estos biomarcadores se exhalaban en concentraciones extremadamente bajas, de aproximadamente 10 partes por mil millones. No obstante, 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.

“Pensamos: ‘¿Cómo podemos lograr esa misma sensibilidad, de una manera accesible, en el momento preciso y en un formato de chip que sea escalable en términos de costo?’”, dice Tadesse. 

Una trampa para huellas dactilares

Para su nuevo estudio, el grupo de Tadesse se propuso diseñar una prueba de aliento portátil y sensible para detectar rápidamente los biomarcadores de Bhatia. Su nuevo diseño se centra en la plasmónica: el estudio y la manipulación de la luz y su interacción con la materia a nanoescala.

Los investigadores observaron que las moléculas presentan modos vibracionales característicos, que corresponden a 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. Una pequeña fracción de la luz dispersada experimenta cambios de energía debido a las interacciones con las vibraciones de la molécula. Al medir estos cambios de energía, los investigadores pueden identificar moléculas basándose en sus huellas vibracionales distintivas.

Para detectar los biomarcadores de Bhatia, sin embargo, necesitarían aislar las relativamente pocas moléculas de la densa nube de muchas otras moléculas exhaladas. También necesitarían potenciar la señal vibracional del biomarcador, ya que la luz dispersada por Raman de una molécula individual es intrínsecamente muy débil.

“Es como buscar una aguja en un pajar”, ​​dice Tadesse. “Nuestro método detecta esa aguja que, de otro modo, estaría perdida entre el ruido”.

El nuevo sensor del equipo está diseñado para atrapar biomarcadores específicos y potenciar su señal vibracional. El núcleo del sensor está formado por una fina película de oro, sobre la cual los investigadores suspendieron 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. El hidrógeno del agua, a su vez, puede unirse a los biomarcadores específicos. Si algún biomarcador atraviesa el espacio del sensor, se adhiere a las moléculas de agua como si fueran velcro.

El espacio del sensor está diseñado para amplificar fuertemente la luz mediante resonancia plasmónica, donde los electrones en las estructuras de oro cercanas oscilan colectivamente en respuesta a la luz incidente, concentrando el campo electromagnético en dicho espacio. Los biomarcadores atrapados en estos espacios experimentan un campo electromagnético mucho más intenso, lo que amplifica su señal de dispersión Raman. Los investigadores pueden entonces medir la luz dispersada por Raman y comparar el patrón con la «huella dactilar» conocida del biomarcador para confirmar su presencia.

El equipo colaboró ​​con Daniel Kim, estudiante de posgrado del laboratorio de Bhatia, y probó el rendimiento del sensor en muestras de líquido pulmonar obtenidas de ratones sanos. A estas muestras les añadieron biomarcadores de neumonía previamente diseñados por el grupo de Bhatia. Posteriormente, colocaron el líquido enriquecido en un vial y lo calentaron para evaporarlo, simulando así la exhalación. 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.

Mediante estos experimentos, demostraron que el sensor detectaba rápidamente biomarcadores de neumonía en concentraciones extremadamente bajas y clínicamente relevantes.

“Nuestro próximo objetivo es contar con un sistema de recolección de aliento, como una mascarilla en la que se pueda respirar”, explica Garg. “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”.

Las pruebas de aliento para detectar enfermedades, a veces denominadas alcoholímetros para enfermedades, son una tecnología emergente. La mayoría de los diseños aún se encuentran en fase experimental y emplean diferentes enfoques para detectar diversas afecciones, como ciertos tipos de cáncer, infecciones intestinales y virus como el COVID-19. El equipo del MIT señala que su diseño puede utilizarse para detectar enfermedades más allá de la neumonía, así como biomarcadores no relacionados con enfermedades, siempre que el biomarcador de interés tenga una «huella dactilar» vibracional conocida.

“No se limita solo a estos biomarcadores ni a aplicaciones de diagnóstico”, afirma Tadesse. “También puede detectar sustancias químicas industriales o contaminantes atmosféricos. Si una molécula puede formar enlaces de hidrógeno con el agua, podemos usar su huella vibracional para detectarla. Es una plataforma bastante universal”.

Este trabajo fue financiado, en parte, por Open Philanthropy (ahora Coefficient Giving). Varias etapas de caracterización y fabricación se llevaron a cabo en MIT.nano.