El reconocimiento de patrones respiratorios es una plataforma de diagnóstico futurista. La simple caracterización de las concentraciones de gas objetivo del aliento humano exhalado conducirá al diagnóstico de la enfermedad, así como de la condición física.

Un grupo de investigación dirigido por el profesor Il-Doo Kim en el Departamento de Ciencia de Materiales de KAIST ha desarrollado sensores de diagnóstico utilizando nanocatalizadores encapsulados en proteínas, que puede diagnosticar ciertas enfermedades mediante el análisis de la respiración humana exhalada. Esta tecnología permite la monitorización temprana de diversas enfermedades mediante el reconocimiento de patrones de gases biomarcadores relacionados con enfermedades en la exhalación humana.

La ruta de síntesis del catalizador con plantilla de proteína es muy simple y versátil para producir no solo un solo componente de nanopartículas catalíticas, pero también diversos catalizadores intermetálicos heterogéneos con tamaños inferiores a 3 nm. El equipo de investigación ha desarrollado sensores quimiorresistivos cada vez más sensibles y selectivos que pueden potencialmente diagnosticar enfermedades específicas mediante el análisis de los gases 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 de portada en la edición de julio de Cuentas de investigación química , una revista internacional de la American Chemical Society.

En aliento humano Se encuentran diversos componentes, incluido el vapor de agua, hidrógeno, acetona, tolueno, amoníaco, sulfuro de hidrógeno, y monóxido de carbono, que son más excesivamente exhalados por los pacientes. 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 enfermedades comenzó con la captura de las respiraciones exhaladas en una bolsa Tedlar y, posteriormente, los gases respiratorios capturados se inyectaron en un sistema de sensores miniaturizados. similar a un detector de alcohol. Es posible analizar la respiración exhalada muy rápidamente con un simple proceso de análisis. El análisis de la respiración puede detectar cambios traza en los componentes de la respiración exhalada, que contribuyen al diagnóstico precoz de enfermedades.

Sin embargo, Se necesitan avances tecnológicos para analizar con precisión los gases en la respiración. que ocurren en niveles muy bajos, de 1 ppb a 1 ppm. En particular, Ha sido un desafío crítico para los sensores químicos de tipo químico resistivo detectar selectivamente biomarcadores específicos en miles de gases interferentes, incluido el vapor húmedo.

Convencionalmente Se han funcionalizado catalizadores metálicos nobles tales como platino y paladio sobre 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 proteína a nanoescala (apoferritina) en animales como plantillas de sacrificio. Las plantillas de proteínas poseen nanocajas huecas en el sitio central y se pueden encapsular varias nanopartículas catalíticas de aleación 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, Los nanocatalizadores intermetálicos con una proporción atómica controlada de dos elementos diferentes se pueden lograr utilizando las nanojaulas de proteínas, que es una estrategia innovadora para encontrar nuevos tipos de catalizadores. Por ejemplo, Se pueden sintetizar catalizadores a base de 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 excepcionales que consisten en nanofibras de óxido metálico funcionalizadas por catalizadores heterogéneos con áreas de superficie grandes y altamente porosas. que están especialmente optimizados para la detección selectiva de biomarcadores específicos. El rendimiento de detección de biomarcadores se mejoró aproximadamente 3 ~ 4 veces en comparación con el componente único convencional de sensores de nanofibras cargados con catalizadores de platino y paladio. En particular, Se observaron transiciones de resistencia de 100 veces hacia la acetona (1 ppm) y el sulfuro de hidrógeno (1 ppm) en los sensores de respiración exhalada utilizando los nanocatalizadores heterogéneos, que 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 la gente pueda identificar fácilmente las anomalías en la salud. Usando un sistema de matriz de 16 sensores, Las condiciones físicas se pueden monitorear continuamente mediante el análisis de los cambios de concentración de los biomarcadores en los gases de respiración exhalados.

El profesor Kim dijo:"Se sintetizaron nuevos tipos de nanocatalizadores heterogéneos utilizando plantillas de proteínas con tamaños 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". Él agregó, "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 licenciadas a dos empresas en marzo y junio de este año.