Detecció d’infeccions pulmonars amb anàlisi de l’alè i aprenentatge automàtic

Els investigadors de l’IBEC, en col·laboració amb investigadors clínics de l’Hospital de Sant Pau i de l’Hospital Clínic de Barcelona, utilitzen «nassos electrònics» i aprenentatge automàtic per analitzar l’alè dels pacients i identificar, amb molta precisió, aquells que presenten infeccions pulmonars per P. aeruginosa, un patogen multiresistent. Aquest mètode pot representar una eina no invasiva i efectiva per diagnosticar i monitorar pacients amb una infecció pulmonar bacteriana, i oferir una alternativa més ràpida als cultius d’esput estàndards.

Read more…

La bronquièctasi és una  afecció pulmonar crònica que causa infeccions freqüents i problemes respiratoris. Tot i que és més freqüent en dones i pacients d’edat avançada, afecta individus de totes les edats i gèneres i acostuma a empitjorar amb el temps, si no es tracta adequadament.
Tradicionalment, les infeccions pulmonars es diagnostiquen mitjançant un procediment que requereix molt de temps: es recull una mostra d’esput que primer s’utilitza per fer créixer els bacteris al laboratori i després per identificar el microorganisme causant de la malaltia.

En aquest context, actualment s’està explorant la possibilitat de fer servir una anàlisi de l’alè com a eina alternativa per diagnosticar, monitorar i fer el triatge dels pacients. Aquest sistema presenta avantatges respecte a d’altres tècniques diagnòstiques, perquè hi ha un subministrament il·limitat de mostres, les mostres es recullen de manera no invasiva i els resultats de la prova són ràpids. Això no obstant, l’alè és un fluid biològic complex, que conté milers de compostos en unes concentracions molt petites. A més a més, no hi ha mètodes estàndard per al mostreig de l’alè i les diferències d’alè poden ser causades per múltiples factors. Tot i que l’anàlisi química de l’alè ha arribat a la clínica d’un nombre limitat de malalties biomèdiques, com ara l’asma i la intolerància a la sacarosa o el creixement anormal de bacteris a l’intestí prim, expandir-ho a una gamma més àmplia de malalties biomèdiques és tot un repte. 

El grup Processament de Senyals i Informació per a Sistemes de Sensors de l’Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC), al capdavant del qual hi ha Santiago Marco, professor de la Universitat de Barcelona (UB), vol aconseguir una metodologia millor per monitorar les infeccions pulmonars en pacients amb bronquièctasi i acostar aquesta tècnica a la clínica. Luciana Fontes de Oliveira i altres companys del grup de Santiago Marco, en col·laboració amb investigadors de la Universitat de Barcelona, l’Hospital de la Santa Creu i Sant Pau i l’Hospital Clínic-IDIBAPS, han publicat un article explicant com detectar infeccions pulmonars amb l’anàlisi de l’alè. 

Comparació de tècniques d’anàlisi de l’alè 

Els investigadors han estudiat dues tècniques d’anàlisi de l’alè que han estat àmpliament explorades en la literatura mèdica: nassos electrònics (e-nose) i cromatografia de gasos-espectrometria de masses (GC-MS). Un nas electrònic és un dispositiu de detecció que analitza el patró de compostos orgànics volàtils a l’alè exhalat de l’individu. S’han proposat diversos sistemes per a l’anàlisi de l’alè. En aquest estudi, els investigadors han fet servir un dispositiu anomenat Cyranose 320® (Sensigent, CA, EUA). La GC-MS es considera la tècnica de referència per analitzar i potencialment identificar substàncies en una mostra d’un test gasós. Aquesta tècnica combina la capacitat de la cromatografia de gasos per separar les molècules amb la capacitat de l’espectròmetre de masses per proporcionar una empremta de massa que de vegades permet la identificació química de compostos orgànics volàtils (COV). 

En estudis previs, el nas electrònic ha demostrat efectivitat en la identificació de la infecció per Pseudomonas aeruginosa en pacients amb bronquièctasi, una infecció pulmonar bacteriana freqüent en aquests pacients. En aquest estudi i per primera vegada, les mateixes mostres s’han analitzat amb totes dues tècniques, amb l’esperança que la GC-MS podria proporcionar la identitat química de biomarcadors putatius d’infecció en pacients amb bronquièctasi. 

Com que aquesta malaltia és més freqüent en dones, es van analitzar tres grups únicament de dones: bronquièctasi sense infecció, bronquièctasi amb infecció activa per Pseudomonas aeruginosa coneguda, i controls sans. Es van recollir les mostres a l’hospital i el mateix dia es van dur a terme els mesuraments amb el nas electrònic i amb GC-MS. 

«Vam descobrir que el nas electrònic, amb el programari d’aprenentatge automàtic adient, era capaç de classificar correctament els controls sans versus els pacients amb bronquièctasi amb infecció per Pseudomonas aeruginosa en el 100 % dels casos de validació», explica Santiago Marco. La tècnica també va permetre discriminar els casos de bronquièctasi dels controls sans amb una precisió del 95 % i la bronquièctasi de la PA per bronquièctasi en el 87 % dels casos. 

En canvi, l’anàlisi amb GC-MS va ser poc fiable i no es van trobar biomarcadors. Malgrat el poder analític superior de la GC-MS, la complexitat i riquesa de les dades produïdes van dificultar la descoberta de biomarcadors discriminants. 

«El que demostra aquest estudi és que l’aplicació de fluxos de treball estàndard per a l’anàlisi de les dades de GC-MS no és suficient. La riquesa de les dades de GC-MS fa que la descoberta de biomarcadors sigui tan difícil com trobar una agulla en un paller», afegeix Marco. «Els resultats positius obtinguts amb el nas electrònic indiquen que una anàlisi de dades més sofisticada, amb un mostreig més ampli, podria donar resultats positius.» 

Encara que les anàlisis de l’alè presenten clars avantatges respecte a d’altres tècniques analítiques, com ara rapidesa, els resultats d’aquest estudi encara estan en una fase molt inicial i caldrà fer més recerca abans que pugui arribar a la clínica. «En estudis futurs, haurem de confirmar les nostres descobertes amb més pacients i més centres, així com confirmar que hi ha robustesa analítica», conclou Marco. 

L’anàlisi de l’alè ofereix una alternativa interessant per a la diagnosi de la infecció per Pseudomonas aureoginosa en pacients amb bronquièctasi, precisa i més ràpida que els cultius d’esputs. Ara bé, la descoberta dels biomarcadors químics darrere de les diferències observades requereix més estudis.

Professor Santiago Marco, IBEC

 

Aquest àmbit de recerca és molt important per al diagnòstic d’una manera precoç i no invasiva de la infecció bronquial, ja que té un gran impacte en la qualitat de vida, el pronòstic i el tractament dels pacients.

Oriol Sibila, Hospital Clínic de Barcelona

 




Article de referència: L. Fontes de Oliveira, C. Mallafré-Muro, J. Giner, L. Perea, O. Sibila, A. Pardo y S. Marco. Breath analysis using electronic nose and gas chromatography- mass spectrometry: a pilot study on bronchial infections in bronchiectasis. Clinica Chimica Acta (2021).