eNoses: nasi elettronici per fiutare la presenza di malattie

I Nasi Elettronici (eNoses, Electronic Noses) sono dispositivi in grado di rilevare e quantificare i composti chimici presenti nell’aria. Essi trovano applicazione negli ambiti più svariati: dall’agroalimentare, per il controllo della qualità e della freschezza dei prodotti, ai sistemi di controllo ambientale, per valutare il livello di inquinamento olfattivo, e soprattutto in medicina, dove si useranno per effettuare test di screening della popolazione, basati sull’analisi dell’esalato, ossia l’aria emessa durante la respirazione. Infatti, questi strumenti sono in grado di misurare la concentrazione di alcune molecole presenti nell’espirato: i composti volatili organici (VOCs, Volatile Organic Compounds).

Di particolare interesse ai fini diagnostici sono i VOCs endogeni, prodotti dal nostro metabolismo cellulare ed in seguito emessi attraverso le feci, l’urina e l’esalato. In presenza di patologie, i processi metabolici possono subire alterazioni, e ciò porta ad avere profili di emissione differenti rispetto allo stato fisiologico. Misurare la concentrazione dei VOCs endogeni nell’espirato permetterebbe di discriminare fra diverse malattie, sia respiratorie, come ad esempio quelle legate all’ostruzione delle vie aeree, sia di altra natura, come il cancro, il quale è caratterizzato proprio da un metabolismo accelerato.

Nasi elettronici: il mercato degli eNoses

L’analisi dell’esalato è una procedura non invasiva, economica, veloce e soprattutto facile da fare effettuare a tutti i pazienti, anche soggetti più delicati come anziani e bambini. Per tale ragione, numerosi studi negli ultimi anni hanno investigato questo tema. Non a caso, molte delle aziende che si occupano di ricerca e sviluppo di eNoses hanno recentemente devoluto una parte significativa delle proprie risorse verso progetti di tipo biomedicale.

Tutto ciò fornisce un’idea del rapido sviluppo nel mercato dei nasi elettronici. Nel 2020 è stato valutato essere pari a 17.9 milioni di dollari americani, e che ci si aspetta continui a crescere nei prossimi 6 anni, con un tasso composto di crescita annuale del 11.8%. La domanda di eNoses ha ricevuto un impatto positivo grazie ai più recenti progressi negli ambiti dei servizi cloud, dell’intelligeza artificiale (AI) e dell’Internet of Things (IoT).

Breathomica: un po’ di storia…

In realtà, l’Analisi dell’Esalato (in inglese “Exhaled Breath Analysis”, o “Breathomics”), ha radici molto antiche. Fin dai tempi di Ippocrate era noto che l’odore dell’alito dei pazienti poteva essere utilizzato per diagnosticare il tipo di malattia di cui soffrivano. Questa branca divenne di interesse scientifico solo nel 1971, grazie al lavoro di Linus Pauling che per primo isolò e quantificò 250 differenti VOCs nel respiro umano, utilizzando un gascromatografo. Successivamente, M. Phillips ha portato avanti la ricerca, ed il numero di VOCs identificati ha superato i 3000 composti.

Nel 2006, uno studio di McCulloch ha dimostrato che dei cani appropriatamente addestrati sono in grado di distinguere i pazienti con tumore ai polmoni dagli individui sani, con un’accuratezza che sfiora il 100%, semplicemente annusando il loro alito. L’idea di sfruttare il fiuto degli “sniffer dogs” ha trovato applicazione anche per la pandemia da Covid-19, con l’obiettivo di riconoscere immediatamente i positivi al coronavirus. Di pari passo, è nata l’idea di adattare anche gli eNoses per la rilevazione delle persone infette, mediante robot dotati di nasi elettronici che siano in grado di monitorare l’ambiente senza alcun contatto fisico.

Come è fatto un e-Nose?

Non esiste un unico composto che da solo può essere indicatore di malattia, quanto piuttosto una combinazione di VOCs. Gli eNoses sono infatti nasi elettronici progettati per rispondere ad un pattern di composti nel miscuglio gassoso in esame. L’obiettivo è identificare un unico segnale composito legato alla natura chimica delle sostanze nell’esalato, chiamato “breathprint”, letteralmente “impronta del respiro”. Il meccanismo di funzionamento è analogo a quello del sistema olfattivo umano. A seguito dell’interazione fra le specifiche sostanze chimiche presenti nell’aria inalata ed i recettori olfattivi presenti nel naso, vengono prodotti dei segnali elettrici. Questi sono poi processati dal sistema nervoso centrale allo scopo di identificare a quale specifico odore corrisponde quella combinazione.

L’elaborazione dei dati degli eNoses si basa su tecniche comparative di pattern recognition ed intelligenza artificiale. È essenziale eseguire prima di tutto una fase di calibrazione, durante la quale si sviluppa un database di profili breathprints. Questi si usano poi per la fase di apprendimento del dispositivo, in maniera analoga all’addestramento degli “sniffer dogs” nello studio di McCulloch. I pattern misurati sono confrontati con quelli memorizzati durante l’apprendimento. I nasi elettronici sono composti da una matrice di sensori. Ognuno di essi è sensibile alla presenza di più di un composto, ma con specificità differenti.

Ogni sensore è composto da un recettore, che interagisce con il composto target e lo “cattura”, ed un trasduttore, che converte l’evento di legame in un segnale misurabile . I recettori possono essere sia naturali (enzimi, anticorpi, acidi nucleici, cellule) che sintetici (i polimeri compositi).
L’assorbimento dei VOCs sulla matrice di sensori produce un cambiamento nelle caratteristiche fisiche di ciascun componente. A seconda del tipo può trattarsi di una variazione di resistenza, capacità, colore o, nel caso di un cristallo di quarzo, della sua frequenza di oscillazione.

Aeonose e Cyranose 320

I nasi elettronici più diffusi in commercio attualmente sono l’Aeonose e il Cyranose 320. Il Cyranose 320 è composto da una matrice di 32 chemiresistori basati su un polimero composito trattato con carbone nero, che è elettricamente conduttivo. Quando esposti, il polimero assorbe i VOCs. Esso, rigonfiandosi, “allontana fra loro” i materiali conduttori, rendendo più difficoltoso il passaggio di corrente e producendo un aumento di resistenza elettrica nel singolo sensore.

L’Aeonose è in grado di effettuare l’analisi in tempo reale, semplicemente soffiandoci dentro. Questo offre un vantaggio per la raccolta dei campioni di aria espirata, a differenza della maggior parte dei sistemi, che necessitano invece di contenitori per lo stoccaggio temporaneo dell’esalato. Merita particolare attenzione il dispositivo TruffleBot, che riesce ad “inspirare” gli odori in maniera attiva, usando pompe ad aria per spingere l’aria attraverso i propri sensori.

Articolo a cura di Alessia Celli