Des ingénieurs résolvent un obstacle physique clé dans le diagnostic par l'haleine
Des chercheurs de l'université de Notre Dame découvrent que l'évaporation des biomarqueurs lors de la collecte des gouttelettes est à l'origine de la variabilité des tests.
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Des ingénieurs de l'université de Notre Dame ont identifié pourquoi les tests sur l'haleine expirée produisent souvent des résultats incohérents, résolvant un problème qui freine cette méthode de diagnostic depuis des décennies. La découverte fournit la base physique d'une nouvelle invention en matière de collecteurs d'échantillons, garantissant que les analyseurs d'haleine non invasifs puissent détecter de manière fiable les maladies pulmonaires sans procédures invasives.
La quête d'une surveillance non invasive fiable
La bronchopneumopathie chronique obstructive, connue sous le nom de BPCO, est la troisième cause de décès dans le monde selon les détails rapportés par MedicalXpress. La surveillance de cette maladie nécessite généralement des tomodensitométries coûteuses ou des analyses de sang qui provoquent un inconfort chez le patient. Les exacerbations peuvent survenir rapidement, ce qui fait du diagnostic portable au point de service une innovation clinique urgente pour les cliniques isolées et sous-équipées. La collecte de condensat de l'haleine expirée (EBC), une approche introduite dans les années 1970, refroidit l'haleine en gouttelettes liquides pour mesurer des biomarqueurs chimiques. Pourtant, l'adoption clinique est restée bloquée parce que des tests répétés sur un même patient donnaient des données contradictoires. Pendant des décennies, les chercheurs ont attribué ces disparités à des fluctuations biologiques.
« C'est un premier pas prometteur ; démontrer qu'il existe des sources d'erreur concrètes et mesurables dans la collecte d'EBC nous montre que nous avons une chance de créer un système de normalisation qui permette aux cliniciens d'utiliser l'EBC de manière fiable dans le diagnostic des maladies »
— Amio Ritwik, doctorant à l'université de Notre Dame
Suivre la perte de biomarqueurs à l'échelle des gouttelettes
Une étude publiée dans Nano Letters par l'équipe de Jingcheng Ma, professeur assistant au département d'ingénierie aérospatiale et mécanique de Notre Dame, déplace la responsabilité de la biologie humaine vers la physique. À l'aide d'un système de mesure de fluorescence sur mesure construit au Interfacial Thermofluids Laboratory, les chercheurs ont surveillé le comportement des gouttelettes en temps réel. Ils ont évalué deux mécanismes physiques : la co-condensation, qui détermine comment les marqueurs pénètrent dans les gouttelettes, et l'évaporation, qui permet aux composés volatils de s'échapper dans l'air ambiant. Les tests ont révélé que les gouttelettes perdent des concentrations significatives de biomarqueurs par évaporation au cours d'un seul cycle respiratoire, réfutant les hypothèses de longue date selon lesquelles les échantillons liquides collectés restent stables.
Concevoir un matériel de collecte normalisé
Les chercheurs ont démontré que la taille des gouttelettes détermine directement la rétention des biomarqueurs, tandis que des pauses plus longues entre les expirations augmentent les pertes par évaporation. La température de l'air ambiant, l'humidité et la température de la plaque du condenseur influent également sur l'intégrité de l'échantillon. En quantifiant ces variables, l'équipe a construit un modèle mathématique qui suit la perte de fluide depuis les gouttelettes individuelles jusqu'aux plaques de condenseur entières. Comprendre ces limites physiques permet aux ingénieurs de concevoir un dispositif médical normalisé pour le dépistage clinique, transformant les observations de laboratoire en une invention diagnostique fiable. L'équipe de Notre Dame prévoit désormais des partenariats avec des cliniciens et des développeurs de matériel de diagnostic pour breveter la conception et faire passer ces modèles thermodynamiques à des collecteurs cliniques validés.
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