Test del respiro tascabile per i batteri dello stomaco
Un mini-sensore analizza il respiro per individuare l'infezione da Helicobacter pylori
Ulcere allo stomaco, gastrite e persino cancro allo stomaco sono spesso il risultato di un'infezione da Helicobacter pylori. Se il batterio non viene riconosciuto per lungo tempo, le conseguenze possono essere gravi. Finora, tuttavia, l'individuazione diagnostica è stata lunga e costosa. I ricercatori dell'Università di Ulm hanno ora sviluppato un sistema di sensori miniaturizzati per l'analisi mobile del respiro, efficace, veloce ed economico. Il team di ricerca utilizza un trucco di sopravvivenza biologica del germe dello stomaco per rilevare il batterio. Il team di ricerca ha illustrato il funzionamento della tecnologia nella rivista scientifica ACS Sensors.
"Abbiamo sviluppato un sistema di sensori a infrarossi in grado di rilevare l'Helicobacter pylori con un test del respiro mobile. La tecnologia ha un grande potenziale di miniaturizzazione ed è economicamente vantaggiosa", afferma il professor Boris Mizaikoff. Il direttore dell'Istituto di chimica analitica e bioanalitica dell'Università di Ulm e del sito Hahn-Schickard di Ulm ha sviluppato il mini-sensore insieme ai ricercatori del suo istituto. Il team sta ora lavorando a una soluzione tecnica compatibile con gli smartphone per un uso personalizzato e mobile.
Gli scienziati di Ulm utilizzano un metodo spettroscopico nella gamma dell'infrarosso medio (MIR) per analizzare l'aria che respiriamo. La spettroscopia a infrarossi è più economica della spettrometria di massa tradizionalmente utilizzata per questo scopo e può essere facilmente miniaturizzata. "La spettroscopia MIR è particolarmente adatta per l'analisi in fase gassosa di molecole come l'anidride carbonica, che assorbono particolarmente bene la luce nello spettro dell'infrarosso", spiega la dottoressa Gabriela Flores Rangel. La chimica è ricercatrice post-dottorato nel gruppo di lavoro di Mizaikoff e autore corrispondente dello studio ACS Sensors. Anche la dottoressa Lorena Díaz de León Martínez, anch'essa postdoc presso l'Istituto di Ulm, ha partecipato al progetto.
I ricercatori hanno utilizzato un trucco biologico del batterio per la rilevazione
L'Helicobacter pylori è un sopravvissuto. Il batterio a forma di bastoncino, resistente agli acidi, colonizza lo stomaco, un luogo dove altrimenti morirebbero innumerevoli agenti patogeni. Per proteggersi dall'aggressività dei succhi gastrici, il germe dello stomaco erige uno scudo chimico. È aiutato da un enzima che l'Helicobacter pylori produce da sé: l'ureasi. L'enzima scompone l'urea in anidride carbonica e ammoniaca, consumando acqua nel processo. I batteri utilizzano l'ammoniaca, un composto azotato alcalino, per tamponare chimicamente gli acidi dello stomaco. "Tuttavia, a noi interessa l'anidride carbonica, cioè il sottoprodotto della catalisi idrolitica stimolata dai batteri", spiega Mizaikoff.
Per distinguere questa "infida" anidride carbonica dall'anidride carbonica che gli esseri umani espirano comunque, i ricercatori utilizzano un metodo di etichettatura comunemente impiegato nelle analisi chimiche e nella diagnostica medica. L'urea somministrata ai soggetti per il test dell'ureasi contiene carbonio "etichettato" (13C invece di 12C). Il 13C è un isotopo del carbonio che assorbe la luce infrarossa a una lunghezza d'onda inferiore rispetto al 12C. "Possiamo misurare queste differenze di assorbimento utilizzando la spettroscopia MIR. Ci dicono quanto carbonio proviene dall'urea scissa battericamente e quindi indicano se è presente o meno un'infezione da Helicobacter pylori", spiega Flores Rangel. Finora i test per l'Helicobacter pylori possono essere eseguiti solo in ambito clinico. Nelle procedure invasive, i campioni di tessuto provenienti da endoscopie gastrointestinali vengono analizzati batteriologicamente. I test non invasivi per l'analisi del respiro si basano ancora su metodi come la spettrometria di massa, molto complessi e costosi.
La camera di reazione è stata ridotta per aumentare l'interazione luce-gas.
Mizaikoff e il suo team si affidano a un'altra innovazione per il loro sistema di sensori a infrarossi. Per intensificare la reazione tra le molecole del campione e la radiazione infrarossa, hanno ridotto le dimensioni dello spazio di reazione. Viene utilizzata una cosiddetta guida d'onda cava integrata nel substrato (iHWG). La camera di reazione è costituita da due piastre di alluminio sigillate ermeticamente con un composto di resina epossidica. Nella piastra di base è incorporato un canale attraverso il quale viene convogliata l'aria di respirazione e che funge anche da cella a gas miniaturizzata e da guida d'onda per la luce IR. Sui lati, finestre al fluoruro di bario che trasmettono la luce infrarossa assicurano che la radiazione MIR sia riflessa lungo il canale e possa misurare le lunghezze d'onda assorbite dall'anidride carbonica etichettata e non etichettata. "Siamo già riusciti a ridurre le dimensioni della cella a gas dai dieci centimetri originari a tre centimetri, senza perdere in precisione di misura", sottolinea Mizaikoff. Per sfruttare ulteriormente il potenziale di miniaturizzazione del sistema di sensori, è possibile utilizzare anche laser o diodi luminosi come fonte di luce per la spettroscopia IR.
Gli scienziati ipotizzano che il sistema possa essere semplificato e miniaturizzato a tal punto da ridurre il costo del mini-sensore compatibile con gli smartphone a circa 20 euro. Si tratta di una buona notizia per tutte le persone che lottano contro un'infezione da Helicobacter pylori: in futuro sarà possibile rilevare il germe dello stomaco in modo rapido e semplice con un test del respiro mobile; che aiuto per la diagnostica e la terapia!
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