El reconocimiento del patrón de respiración es una plataforma de diagnóstico futurista. La simple caracterización de las concentraciones de gas objetivo de la respiración exhalada humana conducirá al diagnóstico de la enfermedad y de la condición física.
Un grupo de investigación bajo el Prof. Il-Doo Kim en el Departamento de Ciencia de Materiales en KAIST ha desarrollado sensores de diagnóstico utilizando nanocatalizadores encapsulados en proteínas, que pueden diagnosticar ciertas enfermedades mediante el análisis del aliento exhalado humano. Esta tecnología permite el monitoreo temprano de varias enfermedades a través deReconocimiento de patrones de gases biomarcadores relacionados con enfermedades en la exhalación humana.
La ruta de síntesis del catalizador con plantilla de proteínas es muy simple y versátil para producir no solo un componente único de nanopartículas catalíticas, sino también diversos catalizadores intermetálicos heterogéneos con tamaños inferiores a 3 nm. El equipo de investigación ha desarrollado sensores quimiotensivos cada vez más sensibles y selectivosque potencialmente puede diagnosticar enfermedades específicas mediante el análisis de gases respiratorios exhalados.
Los resultados de este estudio, que fueron aportados por el Dr. Sang-Joon Kim y el Dr. Seon-Jin Choi como primeros autores fueron seleccionados como el artículo destacado en la edición de julio de Cuentas de Investigación Química , una revista internacional de la American Chemical Society.
En el aliento humano, se encuentran diversos componentes que incluyen vapor de agua, hidrógeno, acetona, tolueno, amoníaco, sulfuro de hidrógeno y monóxido de carbono, que los pacientes exhalan en exceso. Algunos de estos componentes están estrechamente relacionados con enfermedades como el asma,cáncer de pulmón, diabetes mellitus tipo 1 y halitosis.
El análisis de la respiración para el diagnóstico de la enfermedad comenzó con la captura de las respiraciones exhaladas en una bolsa Tedlar y, posteriormente, los gases respiratorios capturados se inyectaron en un sistema de sensor miniaturizado, similar a un detector de alcohol. Es posible analizar la respiración exhalada muy rápidamente con un simple proceso de análisisEl análisis de la respiración puede detectar cambios de trazas en los componentes de la respiración exhalada, que contribuyen al diagnóstico temprano de enfermedades.
Sin embargo, se necesitan avances tecnológicos para analizar con precisión los gases en el aliento, que ocurren a niveles muy bajos, de 1 ppb a 1 ppm. En particular, ha sido un desafío crítico para los sensores químicos de tipo quimioterápico detectar selectivamente biomarcadores específicos enmiles de gases interferentes, incluido vapor húmedo.
Convencionalmente, los catalizadores metálicos nobles como el platino y el paladio se han funcionalizado en capas de detección de óxido metálico. Sin embargo, la sensibilidad a los gases no fue suficiente para detectar niveles de ppb de especies de biomarcadores en el aliento exhalado.
Para superar las limitaciones actuales, el equipo de investigación utilizó proteínas a nanoescala apoferritina en animales como plantillas de sacrificio. Las plantillas de proteínas poseen nanocajas huecas en el sitio central y varias nanopartículas catalíticas de aleación pueden encapsularse dentro de las nanocajas de proteínas.
Las nanocajas de proteínas son ventajosas porque se puede ensamblar un número casi ilimitado de composiciones de materiales en la tabla periódica para la síntesis de nanopartículas catalíticas heterogéneas. Además, se pueden lograr nanocatalizadores intermetálicos con una relación atómica controlada de dos elementos diferentes usando la proteínananocajas, que es una estrategia innovadora para encontrar nuevos tipos de catalizadores. Por ejemplo, se pueden sintetizar catalizadores basados en platino altamente eficientes, como platino-paladio PtPd, platino-níquel PtNi, platino-rutenio PtRu,y platino-itrio PtY.
El equipo de investigación desarrolló capas de detección sobresalientes que consisten en nanofibras de óxido metálico funcionalizadas por catalizadores heterogéneos con áreas de superficie grandes y altamente porosas, que están especialmente optimizadas para la detección selectiva de biomarcadores específicos. El rendimiento de detección de biomarcadores mejoró aproximadamente 3 ~ 4-doble en comparación con el componente único convencional de los sensores de nanofibras cargados con catalizadores de platino y paladio.En particular, se observaron transiciones de resistencia de 100 veces hacia acetona 1 ppm y sulfuro de hidrógeno 1 ppm en sensores de aliento exhalado usando los nanocatalizadores heterogéneos,cuál es el mejor desempeño jamás reportado en la literatura.
El equipo de investigación desarrolló una plataforma de diagnóstico de enfermedades que reconoce los patrones de respiración individuales mediante el uso de un sistema de matriz de sensores múltiples con diversas capas de detección y catalizadores heterogéneos, para que las personas puedan identificar fácilmente las anomalías de salud. Usando un sistema de matriz de 16 sensores, condiciones físicaspuede monitorearse continuamente analizando los cambios de concentración de biomarcadores en los gases respiratorios exhalados.
El profesor Kim dijo: "Se sintetizaron nuevos tipos de nanocatalizadores heterogéneos utilizando plantillas de proteínas con tamaños de alrededor de 2 nm y funcionalizados en varias capas de detección de nanofibras de óxido metálico. Las bibliotecas de detección establecidas pueden detectar especies de biomarcadores con alta sensibilidad y selectividad". Añadió, "la nueva e innovadora plataforma de análisis de gases respiratorios será muy útil para reducir los gastos médicos y el monitoreo continuo de las condiciones físicas"
Las patentes relacionadas con esta tecnología fueron autorizadas a dos compañías en marzo y junio de este año.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por El Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea KAIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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