El innovador analizador de aliento AI diagnostica enfermedades por “olor”

La inteligencia artificial, la nanotecnología y la química molecular se entrecruzan.

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¿Imagina poder saber si tiene enfermedad de Parkinson, esclerosis múltiple, insuficiencia hepática, enfermedad de Crohn, hipertensión pulmonar, enfermedad renal crónica o cualquier otro tipo de cáncer basado en una prueba simple y no invasiva de su respiración? Los analizadores de aliento para detectar alcohol han existido durante más de medio siglo, ¿por qué no aplicar el mismo concepto para detectar enfermedades? Un equipo global de científicos de universidades de Israel, Francia, Letonia, China y los Estados Unidos ha desarrollado un sistema de inteligencia artificial (AI) para detectar 17 enfermedades a partir del aliento exhalado con 86 por ciento de precisión.

El equipo de investigación dirigido por el profesor Hassam Haick del Instituto de Tecnología Technion-Israel recolectó muestras de aliento de 1.404 sujetos sin enfermedad (control saludable) o una de 17 enfermedades diferentes. Las condiciones de la enfermedad incluyen cáncer de pulmón, cáncer colorrectal, cáncer de cabeza y cuello, cáncer de ovario, cáncer de vejiga, cáncer de próstata, cáncer de riñón, cáncer gástrico, enfermedad de Crohn, colitis ulcerosa, síndrome del intestino irritable, Parkinson idiopático, Parkinson atípico, esclerosis múltiple Hipertensión pulmonar, toxemia preeclampsia y enfermedad renal crónica.

El concepto es relativamente simple: identifique las huellas de las enfermedades y compárelas con la exhalación humana. Lo que lo complica es la ejecución del concepto. Por ejemplo, ¿cómo identificar la huella de una enfermedad? ¿Es único como una huella digital? Para responder a esta pregunta se requiere una mirada más profunda a la composición molecular de la respiración.

Cuando exhalamos, se liberan nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono, argón y vapor de agua. El aliento humano también contiene compuestos orgánicos volátiles (COV): sustancias químicas orgánicas que se emiten como gases y tienen una alta presión de vapor a temperatura normal. El bioquímico estadounidense Linus Pauling, uno de los fundadores de la química cuántica moderna y la biología molecular, y receptor del Premio Nobel de Química de 1954, y el Premio Nobel de la Paz de 1962, estudió 250 volátiles humanos en el aire utilizando un cromatograma de gas líquido en 1971. Pauling es Considerado ampliamente como un pionero en el análisis de la respiración moderna El aliento exhalado contiene aproximadamente más de 3.500 componentes, en su mayoría compuestos de COV en pequeñas cantidades, según un estudio de 2011 publicado en ” Annals of Allergy, Asthma & Immunology “.

Los COV son el factor común en el proceso de olor tanto para los analizadores de respiración como para los humanos. Cuando inhalamos, la nariz atrae moléculas de olor que normalmente contienen sustancias químicas volátiles (fáciles de evaporar). Una vez que las moléculas de olor entran en contacto con el tejido del epitelio olfatorio que recubre la cavidad nasal, se une con los receptores olfativos y envía un impulso eléctrico a una estructura esférica llamada glomérulo en el bulbo olfatorio del cerebro. Hay aproximadamente 2,000 glomérulos cerca de la superficie del bulbo olfatorio. El olfato es la interpretación del cerebro de los patrones odorantes liberados por el glomérulo. La nariz humana puede detectar un billón de olores. En el equipo de investigadores de Haick, la nanotecnología y el aprendizaje automático reemplazan al cerebro biológico en el proceso de olor.

El equipo de científicos de Haick desarrolló un sistema, llamado apropiadamente “NaNose”, que utiliza sensores basados en nanotecnología entrenados para detectar compuestos orgánicos volátiles asociados con enfermedades seleccionadas en el estudio. La nariz tiene dos capas. Una es una nanocapa inorgánica con nanotubos y nanopartículas de oro para la conductividad eléctrica. La otra es una capa de detección orgánica con carbono que controla la resistencia eléctrica de la capa inorgánica basada en los COV entrantes. La resistencia eléctrica cambia en función de los COV.

La inteligencia artificial (IA) se utiliza para analizar los datos. Específicamente, el aprendizaje profundo se utiliza para identificar patrones en los datos para hacer coincidir las señales entrantes con la firma química de enfermedades específicas. Luego, el sistema de AI se entrenó en más de 8,000 pacientes en clínicas con resultados prometedores: el sistema detectó cáncer gástrico con una precisión del 92-94 por ciento en una prueba ciega. Los investigadores descubrieron que “cada enfermedad tiene su propia huella única”.

Se están realizando esfuerzos para miniaturizar y comercializar la tecnología innovadora desarrollada por el equipo de Haick en un proyecto llamado “SniffPhone”. En noviembre de 2018, el horizonte 2020 de la Comisión Europea otorgó a SniffPhone el “Premio a la Innovación 2018” por el “Proyecto más innovador”.

Se espera que crezca la oportunidad de mercado para los analizadores de respiración médica. Para 2024, se prevé que el mercado de los analizadores de aliento aumentará a USD 11,3 mil millones a nivel mundial según las cifras publicadas en junio de 2018 por Grand View Research: la detección de alcohol tiene una mayoría de la participación en los ingresos. Actualmente, los analizadores de aliento se usan para detectar alcohol, drogas y para diagnosticar el asma y las afecciones gastroentéricas. Se proyecta que las aplicaciones clínicas aumenten debido a la introducción de la “introducción de tecnologías avanzadas para detectar óxido nítrico y monóxido de carbono en la respiración”, afirma Grand View Research. Según el estudio, se espera que el segmento de aplicaciones médicas crezca debido a la capacidad de los analizadores de la respiración para detectar compuestos orgánicos volátiles (COV) que pueden ayudar en el “diagnóstico precoz de afecciones, incluidas las enfermedades cardiopulmonares y el cáncer de pulmón y mama”, y actuar como ” biomarcadores para evaluar progresiones de la enfermedad “.

Al aplicar tecnologías innovadoras interdisciplinarias en los campos de la inteligencia artificial, la nanotecnología y la química molecular, el diagnóstico de una amplia variedad de enfermedades puede ser tan simple y no invasivo como un análisis de la respiración con un dispositivo portátil en un futuro no muy lejano. .

Referencias

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