Los dispositivos portátiles personalizados que monitorean la salud de las personas están en aumento. Desde relojes hasta parches y otros tipos de sensores, estos dispositivos inteligentes pueden monitorear la actividad cardíaca, los niveles de inflamación y más para ayudar a los pacientes a administrar mejor su salud desde la comodidad de sus hogares. Ahora se puede añadir a la lista un nuevo tipo de dispositivo portátil: 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 máscara inteligente que se puede utilizar para controlar una variedad de afecciones médicas, incluidas enfermedades respiratorias como el asma, la EPOC (enfermedad pulmonar obstructiva crónica) y el post. -Contagio de COVID-19. A diferencia de otras mascarillas inteligentes que monitorean cambios físicos como la temperatura, la humedad o la frecuencia respiratoria, ésta, llamada eBcare, puede analizar las sustancias químicas del aliento en tiempo real. (“EBC” es un acrónimo utilizado en este campo que significa “condensado exhalado”). Por ejemplo, la máscara puede controlar los niveles de nitrito de los pacientes con asma, una sustancia química que indica inflamación de las vías respiratorias.
“Monitorear la respiración de un paciente es algo que se hace de forma rutinaria, por ejemplo, para evaluar el asma y otras afecciones respiratorias. Sin embargo, esto requiere que el paciente vaya a una clínica para la recolección de muestras, seguido de un período de espera para obtener los resultados del laboratorio”, dijo Gao. El investigador principal de un nuevo estudio describe la máscara en la revista. ciencia. “Desde la COVID-19, la gente ha estado usando más mascarillas. Podemos aprovechar este mayor uso de mascarillas para realizar un seguimiento personalizado remoto y obtener información en tiempo real sobre nuestra propia salud en nuestros hogares u oficinas. Por ejemplo, utilizamos esta información para evaluar cómo se puede hacer un buen trabajo de tratamiento.”
Gao, investigador del Heritage Medical Research Institute y becario Ronald y JoAnn Willens, ya ha desarrollado una gama de biosensores portátiles que analizan el sudor humano para medir el metabolismo, los nutrientes, las hormonas y los niveles de proteínas. En este caso, el objetivo de Gao era controlar la respiración, lo que supuso una nueva serie de desafíos.
Para analizar selectivamente sustancias químicas o moléculas en el aliento de una persona, primero se debe enfriar y condensar en un líquido. En entornos clínicos, este paso de enfriamiento se realiza por separado del análisis. Las muestras de aliento húmedo se enfrían en cubos de hielo o en neveras portátiles muy refrigeradas. La nueva máscara de Gao, por el contrario, se autoenfría. El aliento se enfría mediante un sistema de enfriamiento pasivo que integra enfriamiento por evaporación de hidrogel con enfriamiento radiativo para enfriar efectivamente el aliento en la mascarilla.
“La máscara representa un nuevo paradigma para el manejo de enfermedades respiratorias y metabólicas y la medicina de precisión porque podemos obtener fácilmente muestras de aliento y analizar moléculas químicas en el aliento en tiempo real a través de una máscara diaria”, dijo Wenzheng Heng, autor principal del estudio y estudiante de posgrado en Caltech. “El condensado respiratorio contiene gases solubles, así como sustancias no volátiles en forma de aerosol o gotitas, como metabolitos, marcadores inflamatorios y patógenos”.
Una vez que el aliento se convierte en líquido, una serie de capilares, pertenecientes a una clase de dispositivos denominados microfluidos bioinspirados, transportan inmediatamente el líquido al sensor para su análisis. “Aprendimos de las plantas cómo transportar agua”, dice Gao. “Las plantas utilizan energía capilar para elevar el agua del suelo”.
Luego, los resultados del análisis se transmiten de forma inalámbrica a un teléfono personal, tableta o computadora. “Se pueden fabricar máscaras inteligentes a un costo relativamente bajo”, afirmó Gao. “Está diseñado para costar sólo 1 dólar en materiales”.
Para probar las máscaras, el equipo realizó una serie de estudios en humanos, centrándose principalmente en pacientes con asma o EPOC. Monitorizaron específicamente el aliento de los pacientes en busca de nitrito, un biomarcador de inflamación en ambas afecciones. Los resultados mostraron que las máscaras detectaban correctamente los biomarcadores que indican 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 pruebas de conducción y consumo de alcohol en el lugar u otras formas de control del consumo de alcohol.
También observaron cómo se podrían usar las máscaras para evaluar los niveles de urea en sangre en el seguimiento y tratamiento de la enfermedad renal. A medida que la función renal disminuye, los subproductos metabólicos 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 amoníaco, lo que provoca niveles más altos de amonio en el aliento. Una nueva investigación muestra que las máscaras inteligentes pueden detectar con precisión estos niveles de amonio, reflejando fielmente los niveles de urea en sangre.
“Estos primeros estudios son una prueba de concepto”, afirmó Gao. “Queremos ampliar esta tecnología para incluir diferentes marcadores asociados con diferentes condiciones de salud. Esta es la base para crear una máscara que sirva como una plataforma versátil de monitoreo de la salud general”.
En cuanto a la comodidad de la mascarilla, los participantes informaron experiencias favorables, incluso con problemas respiratorios.
“La plataforma de máscara inteligente para la recolección y análisis de EBC representa un avance importante en el potencial para monitorear la salud pulmonar en tiempo real”, dijo el coautor Harry Rossiter, investigador y profesor de medicina en el Instituto Lundquist para la Innovación Biomédica en Harbor-UCLA. . Facultad de Medicina David Geffen de UCLA. “Este concepto, de que en el futuro se podrían añadir biosensores para una amplia gama de compuestos, destaca el potencial revolucionario de las máscaras inteligentes para el seguimiento y el 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 EE. UU. Otros autores de Caltech incluyen a los estudiantes graduados Shukun (Kevin) Yin, Canran Wang, Hong Han y Jiahong Li, y ex postdoctorados de Caltech, además de los postdoctorados Jihong Min, Ehsan Shirzai Sunny y Yu Song.