Il riconoscimento del pattern respiratorio è una piattaforma diagnostica futuristica. La semplice caratterizzazione delle concentrazioni di gas bersaglio del respiro umano espirato porterà alla diagnosi della malattia e delle condizioni fisiche.

Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Il-Doo Kim nel Dipartimento di Scienza dei Materiali del KAIST ha sviluppato sensori diagnostici utilizzando nanocatalizzatori incapsulati con proteine, che può diagnosticare alcune malattie analizzando il respiro umano espirato. Questa tecnologia consente il monitoraggio precoce di varie malattie attraverso il riconoscimento del modello dei gas biomarcatori correlati alle malattie nell'espirazione umana.

Il percorso di sintesi del catalizzatore a modello proteico è molto semplice e versatile per produrre non solo un singolo componente di nanoparticelle catalitiche, ma anche diversi catalizzatori intermetallici eterogenei con dimensioni inferiori a 3 nm. Il team di ricerca ha sviluppato sensori chemiresistivi sempre più sensibili e selettivi in ​​grado di diagnosticare malattie specifiche analizzando i gas espirati.

I risultati di questo studio, che sono stati forniti dal Dr. Sang-Joon Kim e dal Dr. Seon-Jin Choi come primi autori sono stati selezionati come articolo di copertina nel numero di luglio di Conti di ricerca chimica , una rivista internazionale dell'American Chemical Society.

Nel respiro umano, si trovano diversi componenti tra cui vapore acqueo, idrogeno, acetone, toluene, ammoniaca, idrogeno solforato, e monossido di carbonio, che vengono espirati in modo più eccessivo dai pazienti. Alcuni di questi componenti sono strettamente correlati a malattie come l'asma, cancro ai polmoni, diabete mellito di tipo 1, e alitosi.

L'analisi del respiro per la diagnosi della malattia è iniziata catturando i respiri espirati in un sacchetto di Tedlar e successivamente i gas espirati catturati sono stati iniettati in un sistema di sensori miniaturizzato, simile a un rilevatore di alcol. È possibile analizzare il respiro espirato molto rapidamente con un semplice processo di analisi. L'analisi del respiro è in grado di rilevare tracce di cambiamenti nei componenti del respiro espirato, che contribuiscono alla diagnosi precoce delle malattie.

Però, sono necessari progressi tecnologici per analizzare accuratamente i gas nel respiro, che si verificano a livelli molto bassi, da 1 ppb a 1 ppm. In particolare, è stata una sfida fondamentale per i sensori chimici di tipo chemiresistivo rilevare in modo selettivo biomarcatori specifici in migliaia di gas interferenti, incluso il vapore umido.

Convenzionalmente, catalizzatori metallici nobili come platino e palladio sono stati funzionalizzati su strati di rilevamento di ossido metallico. Però, la sensibilità al gas non era sufficiente per rilevare i livelli di ppb delle specie di biomarcatori nel respiro espirato.

Per superare i limiti attuali, il team di ricerca ha utilizzato proteine ​​su scala nanometrica (apoferritina) negli animali come modelli sacrificali. I modelli proteici possiedono nanogabbie vuote nel sito centrale e varie nanoparticelle catalitiche in lega possono essere incapsulate all'interno delle nanogabbie proteiche.

Le nanogabbie proteiche sono vantaggiose perché è possibile assemblare un numero pressoché illimitato di composizioni di materiali nella tavola periodica per la sintesi di nanoparticelle catalitiche eterogenee. Inoltre, nanocatalizzatori intermetallici con un rapporto atomico controllato di due diversi elementi possono essere ottenuti utilizzando le nanogabbie proteiche, che è una strategia innovativa per trovare nuovi tipi di catalizzatori. Per esempio, catalizzatori a base di platino altamente efficienti possono essere sintetizzati, come platino-palladio (PtPd), platino-nichel (PtNi), platino-rutenio (PtRu), e platino-ittrio (PtY).

Il team di ricerca ha sviluppato straordinari strati di rilevamento costituiti da nanofibre di ossido di metallo funzionalizzate da catalizzatori eterogenei con aree superficiali ampie e altamente porose, che sono particolarmente ottimizzati per il rilevamento selettivo di biomarcatori specifici. Le prestazioni di rilevamento dei biomarcatori sono state migliorate di circa 3~4 volte rispetto al componente singolo convenzionale dei sensori in nanofibra caricati con catalizzatori di platino e palladio. In particolare, Transizioni di resistenza di 100 volte verso acetone (1 ppm) e idrogeno solforato (1 ppm) sono state osservate nei sensori del respiro esalato utilizzando i nanocatalizzatori eterogenei, che è la migliore performance mai riportata in letteratura.

Il team di ricerca ha sviluppato una piattaforma di diagnosi delle malattie che riconosce i modelli respiratori individuali utilizzando un sistema di array di sensori multipli con diversi strati di rilevamento e catalizzatori eterogenei, in modo che le persone possano facilmente identificare le anomalie di salute. Utilizzando un sistema array a 16 sensori, le condizioni fisiche possono essere continuamente monitorate analizzando le variazioni di concentrazione dei biomarcatori nei gas espirati.

Il prof. Kim ha detto, "Nuovi tipi di nanocatalizzatori eterogenei sono stati sintetizzati utilizzando modelli proteici con dimensioni di circa 2 nm e funzionalizzati su vari strati di rilevamento di nanofibre di ossido di metallo. Le librerie di rilevamento consolidate possono rilevare specie di biomarcatori con elevata sensibilità e selettività". Ha aggiunto, "la nuova e innovativa piattaforma di analisi dei gas respiratori sarà molto utile per ridurre le spese mediche e il monitoraggio continuo delle condizioni fisiche"

I brevetti relativi a questa tecnologia sono stati concessi in licenza a due società a marzo e giugno di quest'anno.