Il ruolo del naso elettronico nelle patologie respiratorie| Rassegna di Patologia dell'Apparato Respiratorio

Abstract

I nasi elettronici (e-nose) si basano su array di diversi tipi di sensori che rispondono a caratteristiche specifiche di una molecola odorose, principalmente composti organici volatili (VOCs). Diversamente dalla gas-cromatografia e dalla spettrometria di massa (GC-MS), gli e-nose possono distinguere lo spettro dei VOCs tramite il riconoscimento del pattern. La tecnologia dell’e-nose è stata utilizzata con successo in applicazioni commerciali, tra cui l’industria militare, ambientale e alimentare. L’esalato umano contiene una miscela di oltre 3.000 VOCs che potrebbero fornire importanti informazioni dal punto di vista fisiologico e fisiopatologico. Sulla base dell’ipotesi di cui sopra, un numero crescente di studi ha dimostrato che l’analisi del profilo respiratorio tramite e-nose potrebbe avere un ruolo chiave nella diagnosi e/o nello screening di varie malattie respiratorie e sistemiche.

Come funziona?

Annusare l’espirato per diagnosticare le malattie è una pratica che risale alla medicina dell’antichità. I medici del passato sapevano che diverse malattie alterano l’odore del respiro di un paziente, ad esempio diabete, malattie del fegato e malattie renali. All’odore dell’espirato è stato attribuito un valore diagnostico, ma questa pratica oggi è stata abbandonata a causa dell’introduzione delle moderne tecnologie diagnostiche. Al giorno d’oggi è ben noto che l’espirato umano contiene oltre 3.000 composti organici volatili (VOCs) in fase gassosa, che possono essere rilevati mediante gas-cromatografia e spettrometria di massa (GC-MS) ¹. Questi VOCs vengono prodotti durante tutti i processi metabolici, nonché durante i processi patologici nelle vie aeree o in altre parti del corpo. La GC-MS è considerata il test di riferimento per l’analisi dell’espirato poiché consente l’identificazione specifica ad ampio spettro dei VOCs e può contribuire a scoprire nuovi pathway fisiopatologici. Tuttavia, l’utilizzo di GC-MS nelle applicazioni mediche è stato limitato da una serie di difficoltà tecniche che rendono questo approccio non ottimale per il profilo dei VOCs nell’espirato orientato alle attività diagnostiche. Pertanto, la domanda mondiale di sistemi di misurazione intelligenti, veloci ed economici per la diagnosi clinica è in aumento.

Una delle principali sfide per la medicina moderna è quella di ottenere diagnosi precoci di condizioni fisiopatologiche o di malattia per consentire trattamenti correttivi o curativi rapidi, ma allo stesso tempo limitando l’invasività e i costi dei trattamenti diagnostici. La biologia umana è molto complessa e i dispositivi diagnostici hanno principalmente il compito di catturare bio-marcatori che riguardano lo stato di salute individuale e di tradurli in segnali analiticamente utili in grado di supportare una particolare diagnosi e/o suggerire ulteriori esami più specifici. Per quanto riguarda l’analisi dei gas complessi, gli sviluppi tecnologici negli ultimi decenni hanno fornito dispositivi di rilevamento e identificazione chiamati “nasi elettronici” (e-nose). Piuttosto che identificare i singoli costituenti molecolari delle miscele di VOCs, gli e-nose forniscono una cosiddetta “impronta olfattiva” in maniera molto simile al sistema olfattivo dei mammiferi (Fig. 1). La maggior parte degli e-nasi esistenti si basa su sensori di gas chimici, sebbene di recente siano stati sfruttati principi di funzionamento innovativi nel tentativo di riprodurre il funzionamento dei recettori bio-olfattivi ².

Qual è lo stato dell’arte?

Negli ultimi anni, un numero crescente di studi ha dimostrato che l’analisi del profilo respiratorio tramite e-nose potrebbe avere un ruolo chiave nella diagnosi e/o nello screening di varie malattie respiratorie e sistemiche.

Nel dettaglio, diversi autori hanno fornito prove a sostegno dell’uso dell’e-nose come strumento diagnostico nell’asma, non solo nella discriminazione tra asmatici e controlli sani, ma anche nella fenotipizzazione tra eosinofilici e non-eosinofilici, così come nella predizione della risposta agli steroidi negli asmatici in modo più accurato rispetto all’Ossido Nitrico espirato (FeNO) ^3-5.

La Broncopneumopatia Cronica Ostruttiva (BPCO) è associata a un processo infiammatorio delle vie aeree e del parenchima polmonare che persevera anche dopo aver smesso di fumare. È stato ipotizzato che questa infiammazione cronica delle vie aeree determini uno specifico profilo VOC espirato.

In base all’ipotesi di cui sopra, diversi studi hanno dimostrato che utilizzando vari tipi di e-nose l’impronta olfattiva della BPCO è stata differenziata da quella di controlli sani ⁶ e anche di pazienti con neoplasia polmonare ⁷. Inoltre, il profilo dei VOCs nell’espirato è stato utilizzato per subfenotipizzare la BPCO, così come nel riconoscere una riacutizzazione di BPCO ⁸.

Inoltre, diversi tipi di e-nose sono stati utilizzati per testare la possibilità di rilevare la presenza di neoplasia polmonare dall’analisi del profilo dei VOCs espirati, non solo nella discriminazione tra pazienti con tumore e controlli sani ^7,9, ma anche nella differenziazione tra early stages e stadi più avanzati ¹⁰. Questo suggerisce il potenziale di questa metodica come screening non invasivo nelle fasi precoci della patologia.

Infine, numerosi studi proof-of-concept hanno dimostrato la presenza di profili VOCs nell’espirato discriminanti per altre condizioni respiratorie, come mesotelioma pleurico maligno, infezioni del tratto respiratorio, fibrosi cistica, sarcoidosi, fibrosi polmonare idiopatica e persino nella sindrome delle apnee ostruttive durante il sonno (OSAS) ^11,12.

Quali sono le prospettive di utilizzo in futuro?

In considerazione di quanto visto, grazie alla sua non invasività, economicità, rapidità e facilità di esecuzione, l’analisi del profilo dei VOCs nell’espirato tramite e-nose ha un potenziale di applicazione su larga scala in diverse malattie dell’apparato respiratorio. Tuttavia, molti studi sono ancora necessari prima che questo obiettivo possa essere raggiunto.

La maggior parte degli studi descritti in letteratura sono i primi passi verso la validazione diagnostica dell’impronta olfattiva del respiro per diverse malattie respiratorie nella pratica medica, mostrando solitamente una buona accuratezza nel discriminare a priori gruppi di pazienti standard. Seguendo rigorosamente le linee guida più recenti per la validazione di nuovi test diagnostici ¹³, i prossimi passi progressivi dovrebbero essere: a) validazione esterna nei pazienti appena reclutati, b) test del modello con nuovi gruppi di soggetti con fenotipi della patologia target difficili da diagnosticare e/o con comorbilità, c) valutazione prospettica in ampi gruppi di pazienti con sospetta malattia (intenzione di diagnosticare).

Inoltre, alcuni limiti metodologici sono ancora oggetto di dibattito. In primo luogo, le questioni metodologiche come le impostazioni del campionamento e la raccolta del respiro espirato devono essere ottimizzate e standardizzate. La presenza di fattori confondenti associati al paziente e/o all’eventuale terapia farmacologica è anche una fonte di variazione tra i diversi studi e deve ancora essere chiarita. In secondo luogo, gli e-nose non identificano i VOCs correlati alla malattia, quindi i dati non contribuiscono alla scoperta di percorsi fisiopatologici specifici o target per la terapia. Pertanto, l’identificazione simultanea dei singoli VOCs mediante GC-MS rimane ancora obbligatoria. In secondo luogo, negli ultimi anni, molti e-nose sono stati costruiti utilizzando principi diversi e questo ha portato a un’incompatibilità tra i dati grezzi dei sensori, anche della stessa marca. Pertanto, scienziati e produttori dovrebbero collaborare per ottenere segnali compatibili che possano essere utilizzati da diversi sistemi di e-nose. Questo potrebbe portare ad ottenere “database universali” che potrebbero essere archiviati su server cloud e potenzialmente scaricabili da ogni medico in tutto il mondo. Terzo, attualmente, gli e-nose disponibili in commercio sono per applicazioni su larga scala, ad es. industria alimentare o militare. Questa è una limitazione implicita per la loro applicazione in campo medico, perché i sensori non sono progettati specificamente per i VOCs esalati dall’uomo. Ulteriori sforzi dovrebbero essere indirizzati alla creazione di e-nose su misura per una specifica malattia.

Per concludere, se tutte le sfide chiave di cui sopra verranno superate, gli e-nose potrebbero diventare dispositivi convenienti per i medici per rilevare le malattie respiratorie. Il loro uso ideale sarebbe come strumenti di screening, con un’elevata sensibilità (cioè un alto valore predittivo negativo) per escludere principalmente la malattia e selezionare il paziente per ulteriori procedure diagnostiche. Dovrebbero essere compiuti sforzi anche per limitare il numero (inevitabile) di falsi positivi che sarebbero sottoposti in modo inappropriato a ulteriori test diagnostici.

Figure e tabelle

Figura 1.Il sistema olfattivo umano e l’e-nose hanno meccanismi di funzionamento simili. Nel dettaglio: Rilevamento VOCs: recettori olfattivi vs. sensori e-nose; Processamento del segnale: bulbo olfattivo vs. array sensori e-nose; Elaborazione del segnale: corteccia piriforme vs. software di elaborazione del segnale; Riconoscimento di pattern: memoria associativa olfattiva vs. algoritmi di learning e database.

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