Ingenieros resuelven un obstáculo físico clave en el diagnóstico mediante aliento exhalado

La búsqueda de un monitoreo no invasivo fiable

La enfermedad pulmonar obstructiva crónica, conocida como EPOC, es la tercera causa de muerte en el mundo según los detalles de un informe compartido por MedicalXpress. El seguimiento de esta afección suele requerir costosas tomografías computarizadas o análisis de sangre que causan molestias al paciente. Las exacerbaciones pueden aparecer rápidamente, lo que convierte el diagnóstico portátil en el punto de atención en una innovación clínica urgente para clínicas remotas y con pocos recursos. La recolección de condensado de aliento exhalado (EBC, por sus siglas en inglés), un enfoque introducido en la década de 1970, enfría el aliento hasta convertirlo en gotas líquidas para medir biomarcadores químicos. Sin embargo, su adopción clínica se estancó porque las pruebas repetidas de un mismo paciente arrojaban datos contradictorios. Durante décadas, los investigadores supusieron que las fluctuaciones biológicas causaban estas discrepancias.

«Este es un primer paso prometedor; demostrar que existen fuentes de error concretas y medibles en la recolección de EBC nos muestra que tenemos la oportunidad de crear un sistema de estandarización que permita a los clínicos utilizar la EBC de forma fiable en el diagnóstico de enfermedades»

— Amio Ritwik, estudiante de doctorado en la Universidad de Notre Dame

Seguimiento de la pérdida de biomarcadores a nivel de gota

Un estudio publicado en Nano Letters por el equipo de Jingcheng Ma, profesor asistente del Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Notre Dame, traslada la culpa de la biología humana a la física. Utilizando un sistema de medición de fluorescencia personalizado construido en el Laboratorio de Termofluidos Interfaciales, los investigadores monitorearon el comportamiento de las gotas en tiempo real. Evaluaron dos mecanismos físicos: la cocondensación, que determina cómo los marcadores entran en las gotas, y la evaporación, que permite que los compuestos volátiles escapen al aire circundante. Las pruebas revelaron que las gotas pierden concentraciones significativas de biomarcadores por evaporación dentro de un solo ciclo respiratorio, lo que refuta suposiciones de larga data de que las muestras líquidas recolectadas permanecen estables.

Diseño de hardware de recolección estandarizado

Los investigadores demostraron que el tamaño de las gotas determina directamente la retención de biomarcadores, mientras que las pausas más largas entre exhalaciones aumentan las pérdidas por evaporación. La temperatura del aire ambiente, la humedad y la temperatura de la placa del condensador también afectan la integridad de la muestra. Al cuantificar estas variables, el equipo construyó un modelo matemático que rastrea la pérdida de fluido desde gotas individuales hasta placas de condensador completas. Comprender estos límites físicos permite a los ingenieros construir un dispositivo médico estandarizado para el cribado clínico, transformando los hallazgos de laboratorio en una invención diagnóstica fiable. El equipo de Notre Dame ahora planea asociaciones con clínicos y desarrolladores de hardware de diagnóstico para patentar el diseño y convertir estos modelos termodinámicos en colectores clínicos validados.

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