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Los dispositivos portátiles personalizados que controlan la salud de las personas están en auge. Desde relojes hasta parches y otros tipos de sensores, estos dispositivos inteligentes pueden controlar la actividad cardíaca, los niveles de inflamación y más para ayudar a los pacientes a gestionar mejor su salud desde sus propios hogares. Ahora, un nuevo tipo de dispositivo portátil se puede agregar a la lista: una máscara de papel de alta tecnología que controla la respiración.
Wei Gao, profesor de ingeniería médica de Caltech, y sus colegas han desarrollado un prototipo de mascarilla inteligente que puede utilizarse para controlar una variedad de afecciones médicas, incluidas enfermedades respiratorias como el asma, la EPOC (enfermedad pulmonar obstructiva crónica) y las infecciones posteriores a la COVID-19. A diferencia de otras mascarillas inteligentes que se están desarrollando y que controlan cambios físicos como la temperatura, la humedad o la frecuencia respiratoria, esta, llamada EBCare, puede analizar las sustancias químicas presentes en el aliento en tiempo real. ("EBC" es un acrónimo utilizado en este campo que significa "condensado del aliento exhalado"). Por ejemplo, la mascarilla podría controlar los niveles de nitrito, una sustancia química que indica inflamación de las vías respiratorias, en pacientes con asma.
"El control del aliento de un paciente es algo que se hace de forma rutinaria, por ejemplo, para evaluar el asma y otras afecciones respiratorias. Sin embargo, esto ha requerido que el paciente visite una clínica para la recolección de muestras, seguida de un período de espera para los resultados de laboratorio", dice Gao, el investigador principal de un nuevo estudio que describe la máscara en la revista Science. "Desde la COVID-19, la gente usa más máscaras. Podemos aprovechar este mayor uso de máscaras para el control personalizado a distancia para obtener información en tiempo real sobre nuestra propia salud en nuestro hogar u oficina. Por ejemplo, podríamos usar esta información para evaluar qué tan bien puede estar funcionando un tratamiento médico".
Gao, que también es investigador del Heritage Medical Research Institute, becario Ronald y JoAnne Willens y miembro del cuerpo docente afiliado del Tianqiao and Chrissy Chen Institute for Neuroscience, ya ha desarrollado una gama de biosensores portátiles que analizan el sudor humano para medir los niveles de metabolitos, nutrientes, hormonas y proteínas. En este caso, el objetivo de Gao era controlar la respiración, lo que supuso un nuevo conjunto de desafíos.
Para analizar de forma selectiva las sustancias químicas o las moléculas presentes en el aliento de una persona, los investigadores primero deben enfriar el vapor del aliento hasta convertirlo en líquido. En el ámbito clínico, este paso de enfriamiento se realiza por separado del análisis. Las muestras de aliento húmedo se enfrían en cubos de hielo o en voluminosas neveras portátiles. La nueva mascarilla de Gao, en cambio, se enfría sola. El aliento se enfría mediante un sistema de enfriamiento pasivo que integra el enfriamiento por evaporación de hidrogel con el enfriamiento por radiación para enfriar eficazmente el aliento en las mascarillas.
"La mascarilla representa un nuevo paradigma para el tratamiento de enfermedades respiratorias y metabólicas y para la medicina de precisión, ya que podemos obtener fácilmente muestras de aliento y analizar las moléculas químicas del aliento en tiempo real a través de las mascarillas de uso diario", afirma Wenzheng Heng, autor principal del estudio y estudiante de posgrado en Caltech. "El condensado del aliento contiene gases solubles, así como sustancias no volátiles en forma de aerosoles o gotitas, como sustancias metabólicas, indicadores inflamatorios y patógenos".
Una vez que el aliento se ha convertido en líquido, una serie de capilares, pertenecientes a una clase de dispositivos conocidos como microfluídica bioinspirada, transportan inmediatamente el líquido a sensores para su análisis. "Aprendimos de las plantas cómo transportar el agua", dice Gao. "Las plantas utilizan fuerzas capilares para extraer agua del suelo". Los resultados del análisis se transmiten de forma inalámbrica a un teléfono personal, una tableta o un ordenador. "La mascarilla inteligente se puede fabricar a un coste relativamente bajo", afirma Gao. "Está diseñada para que los materiales cuesten tan solo un dólar aproximadamente".
Para probar las mascarillas, el equipo realizó una serie de estudios en humanos, centrados principalmente en pacientes con asma o EPOC. Monitorearon específicamente el aliento de los pacientes en busca de nitrito, un biomarcador de inflamación en ambas afecciones. Los resultados mostraron que las mascarillas detectaron con precisión el biomarcador, lo que indica inflamación en las vías respiratorias de los pacientes.
En otro estudio, el equipo demostró que las máscaras detectaban con precisión los niveles de alcohol en sangre en sujetos humanos, lo que sugiere que las máscaras podrían usarse para controles de conducción bajo los efectos del alcohol en el lugar u otras formas de monitoreo del consumo de alcohol.
También analizaron cómo las máscaras podrían utilizarse potencialmente para evaluar los niveles de urea en sangre en el control y el tratamiento de la enfermedad renal. A medida que la función renal disminuye, los subproductos del metabolismo de las proteínas, como la urea, se acumulan en la sangre. Al mismo tiempo, la urea aumenta en la saliva, que se descompone en gas amoniaco, y esto conduce a niveles más altos de amonio en el condensado del aliento. El nuevo estudio demostró que las máscaras inteligentes podían detectar con precisión estos niveles de amonio, reflejando de forma precisa los niveles de urea en la sangre.
"Estos primeros estudios son una prueba de concepto", afirma Gao. "Queremos ampliar esta tecnología para incorporar diferentes marcadores relacionados con diversas afecciones de salud. Esta es la base para crear una mascarilla que funcione como una plataforma versátil de control de la salud general". En cuanto a la comodidad de las mascarillas, los participantes reportaron experiencias favorables, incluso aquellos con problemas respiratorios.
"La plataforma de mascarilla inteligente para la recolección y el análisis de EBC representa un avance importante en el potencial de monitorear la salud pulmonar en tiempo real", dice el coautor Harry Rossiter, investigador del Instituto Lundquist para la Innovación Biomédica en Harbor-UCLA y profesor de medicina en la Facultad de Medicina David Geffen de UCLA. "Ese concepto, de que en el futuro se puedan agregar biosensores para una amplia gama de compuestos, resalta el potencial innovador de la mascarilla inteligente para el monitoreo y diagnóstico de la salud".
El estudio, titulado "Una máscara inteligente para la recolección y análisis del condensado del aliento exhalado", fue financiado por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias, el Programa de Investigación de Enfermedades Relacionadas con el Tabaco y la Actividad de Adquisición de Investigación Médica del Ejército de los EE. UU.
Tomado de: Caltech
Fuente: Science
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