Il ruolo del naso elettronico nelle patologie respiratorie

da Rassegna di Patologia dell’Apparato Respiratorio, Rivista ufficiale dell’Associazione Italiana Pneumologi Ospedalieri – Italian Thoracic Society (AIPO – ITS)

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. 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.

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).

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. Inoltre, il profilo dei VOCs nell’espirato è stato utilizzato per subfenotipizzare la BPCO, così come nel riconoscere una riacutizzazione di BPCO.

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, ma anche nella differenziazione tra early stages e stadi più avanzati. 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).

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