La herramienta de astronomía ahora puede detectar el coronavirus en el aliento
Los astrónomos y los físicos han utilizado durante mucho tiempo un tipo de sensor láser llamado «peine de frecuencia óptica» para estudiar la composición material del universo y hacer que el cronometraje sea más preciso. Pero la pandemia de COVID-19 ha impulsado esta herramienta versátil desde el espacio y la física al ámbito de la atención médica.
Los peines de frecuencia óptica son láseres que emiten pulsos de luz en múltiples frecuencias simultáneamente. Debido a que estos pulsos ultrarrápidos están espaciados con precisión a lo largo del espectro (desde el infrarrojo hasta el visible y el ultravioleta), forman una serie de picos en el gráfico de frecuencia que parecen los dientes de un peine. Este «peine» se puede utilizar de varias maneras. Por ejemplo, diferentes tipos de moléculas absorben diferentes colores de luz; al detectar qué colores de luz se absorben alrededor de frecuencias específicas, el peine puede identificar moléculas específicas en una muestra de aire. En un estudio reciente, los científicos demostraron que la herramienta podría detectar COVID-19 a través de una prueba tipo alcoholímetro en la que los sujetos simplemente soplan aire en un tubo, lo que podría proporcionar una forma rápida y rápida para una serie de enfermedades. -pruebas diagnósticas invasivas.
Cada vez que los humanos exhalan, emiten más de 1000 moléculas traza llamadas compuestos orgánicos volátiles (COV). «Los cambios en las firmas de VOC pueden estar asociados con condiciones de salud específicas», dijo Cristina Davis, vicerrectora de investigación interdisciplinaria e iniciativas estratégicas de UC Davis. Los estudiosos saben desde hace miles de años que ciertos olores del aliento están asociados con enfermedades o trastornos clínicos. Las referencias en textos médicos griegos y chinos antiguos sugieren que los médicos usaban la nariz como herramienta de diagnóstico, dijo Davis. Más recientemente, los perros han sido entrenados para reconocer algunas enfermedades en humanos, al igual que el detector de peine láser, dice el físico Jun Ye, coautor del nuevo estudio. «Estamos utilizando el aprendizaje automático para entrenar nuestra nariz de peine de frecuencia, y una vez que se completa el entrenamiento, se convierte en un perro electrónico con una sensibilidad mucho mayor», dijo Ye.
La ventaja de esta poderosa nariz artificial es su capacidad para detectar enfermedades de forma rápida y no invasiva, dijo el autor principal del estudio, Qizhong Liang, estudiante graduado de CU Boulder. Liang agregó que para obtener la máxima precisión, se debe realizar una prueba de PCR más confiable después de una prueba positiva para el nuevo coronavirus. Pero para la detección rápida en aeropuertos, salas de conciertos u hospitales, podría superar a otros métodos, como las tomografías de temperatura, que se utilizan para evaluar una posible infección por coronavirus sin hisopos nasales invasivos.
Los peines de frecuencia hacen más que identificar moléculas. Fueron desarrollados originalmente en la década de 1990 para crear relojes atómicos ópticos más precisos, por lo que los inventores recibieron el Premio Nobel de Física 2005. Los peines pueden medir las oscilaciones naturales de los átomos con tanta precisión que se han convertido en una parte integral de los relojes atómicos, que cuentan estas oscilaciones para marcar el tiempo con precisión. En astronomía, los investigadores usan peines de frecuencia óptica para medir la frecuencia de la luz de estrellas distantes. La interrupción podría indicar que la estrella alberga un exoplaneta. En la ciencia atmosférica, se han utilizado para estudiar los gases de efecto invernadero. En 2008, Ye y sus colegas de JILA, un instituto conjunto del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Colorado Boulder, fueron los primeros en demostrar que la técnica podría usarse como prueba de aliento para biomarcadores de enfermedades. Suspendieron el descubrimiento, pero los eventos globales de repente les dieron una buena razón para reanudar el trabajo en abril de 2022. «El uso de la respiración como herramienta de diagnóstico ha existido por un tiempo», dijo Davis, «pero creo que se necesitó una pandemia para despegar». «
No mucho después de que comenzara la pandemia de coronavirus, Ye recibió llamadas de colegas de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. Se preguntaron si su investigación anterior sobre «alcoholímetros» de peine de frecuencia podría ayudar en el desarrollo de pruebas no invasivas para COVID-19.
Ye y su equipo actualizaron por primera vez su técnica de 2008. Los investigadores ampliaron el rango de frecuencia del peine láser desde la región del infrarrojo cercano del espectro hasta la parte del infrarrojo medio, donde las moléculas absorben la luz de dos a tres veces más fuerte. Esta mejora de la señal permitió a los investigadores aumentar la sensibilidad de detección de la herramienta en un factor de 1000, lo que permitió la identificación de moléculas en concentraciones extremadamente bajas de unos pocos cientos de partes por billón.
Luego, el equipo de Ye recolectó muestras de aliento de 170 estudiantes, profesores y personal de CU-Boulder desde mayo de 2022 hasta enero de 2022. Todos los participantes se sometieron a pruebas de hisopo nasal PCR de rutina para COVID-19, y aproximadamente la mitad dio positivo. Luego, los investigadores utilizaron un peine de frecuencia para analizar los patrones de absorción de luz de las moléculas en el aliento de los participantes. Aplicando el aprendizaje automático a los datos de peine de frecuencia, combinados con los datos de PCR conocidos sobre quién era positivo o negativo, encontraron seis «discriminadores» que indicaban infección por SARS-CoV-2. El trabajo se describe en un artículo publicado en abril en el Journal of Respiratory Research.
La inteligencia artificial es clave para el éxito del proyecto, dijo Liang, porque el peine de frecuencia recopila mucha información cuando analiza la respiración. «El aprendizaje automático puede analizar todos estos datos simultáneamente y puede descubrir automáticamente la mejor manera de usar toda esta información discriminatoria para construir un modelo predictivo», dijo.
Los peines de frecuencia no son la única forma de evaluar el aliento humano para detectar COVID-19 u otras enfermedades. Otros métodos incluyen sistemas de cromatografía de gases/espectrometría de masas, como la prueba InspectIR, que recibió la Autorización de uso de emergencia de la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. en abril de 2022. En esta técnica basada en la química, las moléculas de gas a analizar se separan con un gas inerte, se descomponen en fragmentos y luego se miden. Davis llama a este tipo de pruebas el «estándar de oro», pero requieren tiempo, capacitación especializada y equipo engorroso, lo que limita su uso en los laboratorios. Davis ha estado trabajando en una prueba portátil más pequeña, el espectrómetro de movilidad de iones, que identifica sustancias en función de su movilidad en un campo eléctrico. Otras opciones utilizan productos químicos que se unen a los COV para aislarlos y analizarlos. «Hay más de 15 empresas que realizan varias pruebas como esta», dijo Davis.
La tecnología de peine de frecuencia es diferente porque utiliza espectroscopia láser y, por lo tanto, «detecta moléculas en el aliento de una manera no destructiva», dijo Liang. Lo que quiso decir es que el peine no haría que la muestra se degradara ni produjera subproductos no deseados, como pruebas de aliento que dependen de reacciones químicas. La tecnología de peine de frecuencia también tiene el potencial de ser muy, muy rápida: eventualmente puede proporcionar resultados en segundos, en comparación con minutos en otras pruebas de aliento.
Dicho esto, probablemente no verás un peine láser la próxima vez que estés en un avión. «En general, las pruebas de aliento no han llegado al horario de máxima audiencia», dijo Wilbur Lam, pediatra e ingeniero biomédico experto en pruebas de COVID-19 en la Universidad de Emory y el Instituto de Tecnología de Georgia. Con el método de peine de frecuencia, dijo, «obtienes una señal luminosa, y si esa señal luminosa realmente indica una nueva infección por coronavirus realmente debe probarse. Ahora, muestran cierta correlación. Pero es diferente de otras enfermedades que pueden afectar respiración. ¿Cómo se relaciona la condición del tipo?»
Si los «analizadores de aliento» de peine de frecuencia demuestran su valía en investigaciones adicionales, podrían tener un gran impacto en muchos entornos clínicos más allá de la detección rápida de COVID-19. La coautora del estudio, Kristen Bjorkman, directora de investigación interdisciplinaria en el Instituto BioFrontiers, dijo que la tecnología algún día podría usarse para detectar la enfermedad pulmonar obstructiva crónica, la insuficiencia renal, los cánceres de pulmón y páncreas, e incluso la enfermedad de Alzheimer. Varios estudios iniciales han proporcionado evidencia preliminar de que el contenido del aire exhalado puede usarse para estos diagnósticos.
Una prueba ritual de análisis del aliento también puede ser ideal para diagnosticar a los niños, dijo Ye, y algunos pediatras se han acercado a él acerca de las pruebas de peine de frecuencia para el asma en los niños. Ye explicó que cuando un niño se presenta en una sala de emergencias con una enfermedad, se realizan una serie de pruebas invasivas para determinar si los síntomas son causados por una enfermedad bacteriana o viral o por asma. Dijo que un pediatra en Denver le dijo: «Imagina, podrías hacer un análisis del aliento de un niño y sería completamente no invasivo. Si los niños solo tuvieran que donar un aliento, no llorarían».
