Des techniques de mesure sensibles permettent de détecter plus de 800 molécules impliquées dans le métabolisme humain dans les expirations d'une personne. L'une de ces molécules est l'acétone. (Visualisations :Güntner et al. J Mater Chem B 2016, 4 : 5358. Publié par la Royal Society of Chemistry)
Soufflez dans le tube, s'il te plaît. À l'avenir, la procédure ne sera pas seulement utilisée par la police pour vérifier l'intoxication alcoolique, mais aussi pour tester la condition des athlètes et pour les personnes qui veulent perdre ce petit surplus de poids. Un capteur développé par des chercheurs de l'ETH permet de mesurer quand le corps commence à brûler les graisses avec un alcootest pratique.
Les experts conseillent à tous ceux qui cherchent à perdre des kilos en trop de manger moins et de faire plus d'exercice. Une façon est avec l'entraînement d'endurance, pendant laquelle le corps brûle non seulement des glucides comme le sucre, mais aussi gras. Le moment exact où le corps commence à brûler les graisses peut maintenant être déterminé en analysant, par exemple, biomarqueurs dans le sang ou l'urine. Les scientifiques de l'ETH Zurich et de l'hôpital universitaire de Zurich ont maintenant développé une méthode pour le très pratique, surveillance en temps réel de la lipolyse en testant les expirations d'une personne pendant l'exercice.
"Lorsque vous brûlez des graisses, le corps produit des sous-produits qui se retrouvent dans le sang, " explique Andreas Güntner, un postdoc dans le groupe du professeur de l'ETH Sotiris Pratsinis. Dans les alvéoles pulmonaires, ces molécules - en particulier les volatiles - pénètrent dans l'air expiré par la personne. Le plus volatil de ces métabolites lipidiques est l'acétone. Güntner et ses collègues ont développé un petit capteur de gaz qui mesure la présence de cette substance. Le capteur est beaucoup plus sensible que les capteurs précédents :il peut détecter une seule molécule d'acétone dans cent millions de molécules. Il mesure également l'acétone exclusivement, ainsi, les plus de 800 autres composants volatils connus dans les expirations n'affectent pas la mesure.
Différences individuelles majeures
En collaboration avec les pneumologues de l'hôpital universitaire de Zurich dirigés par Malcolm Kohler, Professeur et Directeur du Département de Pneumologie, les chercheurs ont testé le fonctionnement du capteur chez des volontaires pendant qu'ils faisaient de l'exercice. Les sujets testés ont effectué une séance d'une heure et demie sur un vélo ergomètre avec deux courtes pauses. Les chercheurs ont demandé aux sujets testés de souffler dans un tube connecté au capteur d'acétone à intervalles réguliers.
"Nous avons pu montrer comment la concentration d'acétone dans les expirations varie considérablement d'une personne à l'autre, " dit Güntner. L'opinion scientifique soutenait que les athlètes ne commencent à brûler les graisses qu'après une certaine période d'effort physique et lorsqu'ils atteignent une certaine fréquence cardiaque, mais cette vue est maintenant dépassée. Les mesures prises par les chercheurs à Zurich ont montré que la lipolyse chez certains sujets de test a fait, En réalité, ne commencent que vers la fin de la session de formation d'une heure et demie. Chez les autres volontaires, les mesures ont montré que leur corps a commencé à brûler les graisses beaucoup plus tôt.
Les mesures de contrôle ont montré que la nouvelle méthode de mesure était bien corrélée avec la concentration du biomarqueur bêta-hydroxybutyrate dans le sang des sujets testés. Cette analyse de sang est l'une des méthodes standard d'aujourd'hui pour surveiller la lipolyse.
La puce de mesure de l'acétone utilisée dans l'étude. Crédit :ETH Zurich / Andreas Güntner
Interaction avec les nanoparticules
Le capteur développé par les scientifiques utilise une puce recouverte d'un film poreux de nanoparticules semi-conductrices spéciales. Les particules sont du trioxyde de tungstène que les chercheurs ont implanté avec des atomes uniques de silicium.
Le développement de la puce a commencé il y a sept ans lorsque le professeur de l'ETH Pratsinis et ses collègues ont découvert que les nanoparticules de trioxyde de tungstène interagissent avec l'acétone si les atomes des nanoparticules sont disposés dans une certaine structure cristalline. L'interaction réduit la résistance électrique de la puce revêtue des nanoparticules, et ce phénomène peut alors être mesuré.
Initialement, l'idée était d'utiliser la puce pour diagnostiquer le diabète, parce que l'air expiré des patients atteints de diabète de type 1 non traité contient des concentrations élevées d'acétone. Depuis, cependant, les scientifiques ont montré que le capteur est en fait suffisamment sensible pour détecter les très faibles concentrations d'acétone dans les expirations d'une personne pendant l'exercice.
Un étudiant démontre la configuration expérimentale. Crédit :ETH Zurich / Simon Zogg
La puce utilisée dans cette étude a la taille d'une pièce de 1 centime d'euro, mais les chercheurs travaillent à affiner la technologie de mesure afin qu'elle soit possible avec des puces beaucoup plus petites. L'objectif est d'offrir la puce dans un appareil de taille raisonnable. "Cela permettrait aux athlètes et aux personnes qui veulent perdre du poids de vérifier par eux-mêmes quand leur corps commence à brûler les graisses afin qu'ils puissent optimiser leur régime d'entraînement, " dit Güntner.
Pas cher, petit et pourtant très sensible
Des mesures d'acétone très sensibles étaient déjà possibles avec d'autres instruments, par exemple les spectromètres de masse, qui sont de gros appareils de laboratoire qui coûtent plusieurs centaines de milliers de francs suisses. Les chercheurs utilisent ces instruments dans la présente étude pour vérifier leurs mesures. Des alcootests portables à l'acétone existent également déjà, mais ils ne peuvent être utilisés qu'une seule fois et prennent plusieurs minutes avant de montrer les résultats. "Notre technologie a l'avantage majeur d'être peu coûteuse, gérable et pourtant très sensible - de plus il peut prendre des mesures en temps réel, " dit Güntner. " Cela le rend adapté à un usage quotidien, tout en s'entraînant dans un centre de fitness ou pour les personnes au régime."
Les scientifiques envisagent désormais de poursuivre le développement de leur méthode de mesure afin de pouvoir éventuellement la commercialiser. Ils ont déjà un prototype de l'instrument. Les scientifiques travaillent également au développement de capteurs de gaz pour d'autres molécules médicalement pertinentes dans les expirations, y compris l'ammoniac pour tester la fonction rénale, l'isoprène pour tester le métabolisme du cholestérol et divers aldéhydes pour la détection précoce du cancer du poumon.
