Măști de față ce pot depista boala cronică de rinichi prin analiza compușilor volatili expirați

Tehnologiile purtabile pentru monitorizarea sănătății se dezvoltă rapid, însă majoritatea se concentrează pe parametri fiziologici (temperatură, ritm cardiac). Recent, atenția cercetătorilor s-a îndreptat către senzori chimici capabili să analizeze compușii volatili expirați (volatilomul), un set complex de substanțe afectat de numeroase boli. Un studiu publicat în ACS Sensors propune un sistem inovator: un aranjament de senzori integrați într-o mască facială capabil să detecteze boala cronică de rinichi (BCR) prin analiza respirației.
Boala cronică de rinichi afectează aproximativ 10% din populația globală și este asociată cu o mortalitate ridicată și costuri semnificative, în special în țările cu resurse limitate. Diagnosticul actual se bazează pe markeri biologici și imagistică, dar metodele sunt adesea costisitoare și invazive. Printre biomarkerii propuși în analiza respirației se numără amoniacul, dar și alte substanțe cum ar fi aminele, aldehidele, cetonele și compușii sulfurați, ale căror concentrații se modifică odată cu progresia bolii. Deși amoniacul a fost cel mai frecvent analizat, utilizarea unui set de senzori parțial selectivi ar putea oferi o imagine mai fidelă a profilului chimic respirator specific BCR.

Sistemul senzorial: Design și caracteristici

Autorii studiului au dezvoltat un sistem format din patru senzori chemorezistenți, bazați pe polimerul conductor PEDOT/PSS dopat cu porfirine - molecule versatile cu capacitate ridicată de legare chimică. Senzorii au fost construiți pe un suport flexibil din PMMA cu electrozi din pastă de argint și inserați în stratul interior al măștilor FFP2, fiind astfel expuși direct aerului expirat.

Substanțele testate pentru sensibilitatea senzorilor au inclus:

•  amoniac
•  1-propanol
•  etanol
•  acetonă
•  triethylamină
•  hexan

Analiza răspunsurilor senzoriale a demonstrat o sensibilitate ridicată și modele distincte de răspuns, în special pentru amoniac și alcooli, datorită porfirinelor dopante (în formă de baze libere sau complecși de mangan). Răspunsul senzorilor a fost procesat prin algoritmi de transformare wavelet (CWT) pentru a extrage caracteristici relevante din semnalul oscilator, sincronizat cu ritmul respirator.

Studiu clinic: metodologie

Au fost incluși 101 participanți, dintre care 53 pacienți cu BCR (în stadii II–V) și 48 persoane sănătoase. Grupurile au fost comparabile ca vârstă și sex. Pacienții au fost evaluați la Policlinico Tor Vergata din Roma, conform ghidurilor KDIGO.

Protocolul experimental a presupus două cicluri respiratorii cu ritmuri diferite (normal și accelerat), iar măștile au înregistrat semnalul timp de aproximativ 2 minute. Subiecții au fost supravegheați pentru a asigura respectarea protocolului, iar semnalele electrice ale senzorilor au fost stocate pentru analiză ulterioară.

Rezultate

Sensibilitatea și specificitatea pentru diagnosticarea BCR cu acest sistem au fost remarcabile:

• Sensibilitate medie: 87%
• Specificitate medie: 92%
• AUC (curba ROC): 0,94 în testare

Clasificarea pe baza caracteristicilor extrase (opt feature-uri per măsurare) s-a realizat folosind analiza discriminantă liniară (LDA). Algoritmul a fost antrenat și testat în 100 de iterații cu împărțiri aleatorii ale datelor, oferind stabilitate și robustețe modelelor predictive.

Analiza pe stadii BCR prin PCA a arătat că al doilea component principal diferențiază semnificativ stadiile bolii, cu un p < 0.001 (testul Kruskal–Wallis), în special între stadiile incipiente și cele avansate. Porfirinele diferite au arătat contribuții specifice: cele cu mangan au fost mai sensibile în stadiile avansate (IV–V), iar cele fără mangan în stadiile timpurii (II–III).

Concluzii

Acest studiu demonstrează fezabilitatea unei platforme senzoriale low-cost, portabile și neinvazive pentru depistarea bolii cronice de rinichi prin analiza respirației. Integrate în măști de față obișnuite, senzorii pot detecta semnături chimice complexe asociate cu BCR, cu acuratețe comparabilă cu metodele de diagnostic convenționale.

Mai mult, rezultatele deschid perspectiva utilizării măștilor senzoriale în screeningul altor boli sistemice, inclusiv afecțiuni hepatice, pulmonare sau oncologice, pe baza volatilomului respirator. Extinderea numărului de senzori și optimizarea algoritmilor de clasificare ar putea transforma aceste măști într-un instrument clinic valoros pentru diagnosticul timpuriu și monitorizarea evolutivă a bolilor cronice.