Gli ingegneri risolvono un ostacolo fisico chiave nella diagnostica del respiro espirato
I ricercatori dell'Università di Notre Dame scoprono che l'evaporazione dei biomarcatori durante la raccolta delle goccioline causa la variabilità dei test.
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Gli ingegneri dell'Università di Notre Dame hanno individuato perché i test sul respiro espirato producono spesso risultati incoerenti, risolvendo un problema che ha bloccato questo metodo diagnostico per decenni. La scoperta fornisce la base fisica per una nuova invenzione nei dispositivi di raccolta dei campioni, garantendo che i monitor non invasivi del respiro possano rilevare in modo affidabile le malattie polmonari senza procedure invasive.
La ricerca di un monitoraggio non invasivo affidabile
La broncopneumopatia cronica ostruttiva, nota come BPCO, è la terza causa di morte nel mondo secondo i dettagli riportati da MedicalXpress. Monitorare la patologia richiede tipicamente costose tomografie computerizzate o analisi del sangue che causano disagio ai pazienti. Le riacutizzazioni possono svilupparsi rapidamente, rendendo la diagnostica portatile point-of-care un'innovazione clinica urgente per le cliniche remote e con poche risorse. La raccolta del condensato del respiro espirato (EBC), un approccio introdotto negli anni '70, raffredda il respiro fino a trasformarlo in goccioline liquide per misurare i biomarcatori chimici. Tuttavia l'adozione clinica si è bloccata perché test ripetuti sullo stesso paziente producevano dati contrastanti. Per decenni i ricercatori hanno attribuito queste discrepanze a fluttuazioni biologiche.
«Questo è un primo passo promettente; dimostrare che esistono fonti di errore concrete e misurabili nella raccolta dell'EBC ci mostra che abbiamo la possibilità di creare un sistema di standardizzazione che consenta ai clinici di usare l'EBC in modo affidabile nella diagnosi delle malattie»
— Amio Ritwik, dottorando all'Università di Notre Dame
Tracciare la perdita di biomarcatori a livello di gocciolina
Uno studio pubblicato su Nano Letters dal gruppo di Jingcheng Ma, professore assistente del Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica di Notre Dame, sposta la colpa dalla biologia umana alla fisica. Utilizzando un sistema di misurazione a fluorescenza personalizzato costruito presso l'Interfacial Thermofluids Laboratory, i ricercatori hanno monitorato in tempo reale il comportamento delle goccioline. Hanno valutato due meccanismi fisici: la co-condensazione, che determina come i marcatori entrano nelle goccioline, e l'evaporazione, che consente ai composti volatili di disperdersi nell'aria circostante. I test hanno rivelato che le goccioline perdono concentrazioni significative di biomarcatori per evaporazione nell'arco di un singolo ciclo respiratorio, confutando le ipotesi di lunga data secondo cui i campioni liquidi raccolti rimangono stabili.
Progettare hardware di raccolta standardizzato
I ricercatori hanno dimostrato che la dimensione delle goccioline determina direttamente la ritenzione dei biomarcatori, mentre pause più lunghe tra le espirazioni aumentano le perdite per evaporazione. Anche la temperatura dell'aria ambiente, l'umidità e la temperatura della piastra del condensatore influenzano l'integrità del campione. Quantificando queste variabili, il gruppo ha costruito un modello matematico che traccia la perdita di fluido dalle singole goccioline fino alle intere piastre del condensatore. Comprendere questi limiti fisici consente agli ingegneri di costruire un dispositivo medico standardizzato per lo screening clinico, trasformando le intuizioni di laboratorio in un'invenzione diagnostica affidabile. Il gruppo di Notre Dame sta ora pianificando collaborazioni con clinici e sviluppatori di hardware diagnostico per brevettare il progetto e trasformare questi modelli termodinamici in raccoglitori clinici validati.
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