La reconnaissance des formes de respiration est une plate-forme de diagnostic futuriste. Une simple caractérisation des concentrations de gaz cibles dans l'air expiré humain conduira au diagnostic de la maladie ainsi que de l'état physique.

Un groupe de recherche dirigé par le professeur Il-Doo Kim du département de science des matériaux du KAIST a développé des capteurs de diagnostic utilisant des nanocatalyseurs encapsulés dans des protéines, qui peut diagnostiquer certaines maladies en analysant l'air expiré humain. Cette technologie permet une surveillance précoce de diverses maladies grâce à la reconnaissance des formes de gaz biomarqueurs liés aux maladies de l'expiration humaine.

La voie de synthèse du catalyseur à base de protéines est très simple et polyvalente pour produire non seulement un seul composant de nanoparticules catalytiques, mais aussi divers catalyseurs intermétalliques hétérogènes de tailles inférieures à 3 nm. L'équipe de recherche a développé des capteurs chimiorésistifs toujours plus sensibles et sélectifs qui peuvent potentiellement diagnostiquer des maladies spécifiques en analysant les gaz respiratoires expirés.

Les résultats de cette étude, qui ont été contribués par le Dr Sang-Joon Kim et le Dr Seon-Jin Choi en tant que premiers auteurs ont été sélectionnés comme article de couverture dans le numéro de juillet de Comptes de la recherche chimique , une revue internationale de l'American Chemical Society.

Dans le souffle humain, divers composants sont trouvés, y compris la vapeur d'eau, hydrogène, acétone, toluène, ammoniac, sulfure d'hydrogène, et monoxyde de carbone, qui sont plus excessivement exhalées par les patients. Certains de ces composants sont étroitement liés à des maladies telles que l'asthme, cancer du poumon, diabète sucré de type 1, et l'halitose.

L'analyse de l'haleine pour le diagnostic de la maladie a commencé à partir de la capture des respirations expirées dans un sac en Tedlar, puis les gaz respiratoires capturés ont été injectés dans un système de capteur miniaturisé, semblable à un détecteur d'alcool. Il est possible d'analyser le souffle expiré très rapidement avec un processus d'analyse simple. L'analyse de l'haleine peut détecter des changements de traces dans les composants de la respiration expirée, qui contribuent au diagnostic précoce des maladies.

Cependant, des avancées technologiques sont nécessaires pour analyser avec précision les gaz dans l'haleine, qui se produisent à des niveaux très faibles, de 1 ppb à 1 ppm. En particulier, La détection sélective de biomarqueurs spécifiques dans des milliers de gaz interférents, y compris la vapeur humide, a constitué un défi critique pour les capteurs chimiques de type chimiorésistif.

Classiquement, des catalyseurs métalliques nobles tels que le platine et le palladium ont été fonctionnalisés sur des couches de détection d'oxyde métallique. Cependant, la sensibilité aux gaz n'était pas suffisante pour détecter les niveaux ppb des espèces de biomarqueurs dans l'air expiré.

Pour surmonter les limitations actuelles, l'équipe de recherche a utilisé des protéines à l'échelle nanométrique (apoferritine) chez les animaux comme modèles sacrificiels. Les matrices protéiques possèdent des nanocages creuses au niveau du site central et diverses nanoparticules catalytiques en alliage peuvent être encapsulées à l'intérieur des nanocages protéiques.

Les nanocages de protéines sont avantageuses car un nombre presque illimité de compositions de matériaux dans le tableau périodique peut être assemblé pour la synthèse de nanoparticules catalytiques hétérogènes. En outre, des nanocatalyseurs intermétalliques avec un rapport atomique contrôlé de deux éléments différents peuvent être obtenus en utilisant les nanocages de protéines, qui est une stratégie innovante pour trouver de nouveaux types de catalyseurs. Par exemple, des catalyseurs à base de platine très efficaces peuvent être synthétisés, comme le platine-palladium (PtPd), platine-nickel (PtNi), platine-ruthénium (PtRu), et le platine-yttrium (PtY).

L'équipe de recherche a développé des couches de détection exceptionnelles constituées de nanofibres d'oxyde métallique fonctionnalisées par les catalyseurs hétérogènes avec des surfaces étendues et très poreuses, qui sont spécialement optimisés pour la détection sélective de biomarqueurs spécifiques. Les performances de détection des biomarqueurs ont été améliorées d'environ 3 à 4 fois par rapport au composant unique conventionnel des capteurs à nanofibres chargés de catalyseurs de platine et de palladium. En particulier, Des transitions de résistance 100 fois vers l'acétone (1 ppm) et le sulfure d'hydrogène (1 ppm) ont été observées dans les capteurs de respiration expirée utilisant les nanocatalyseurs hétérogènes, qui est la meilleure performance jamais rapportée dans la littérature.

L'équipe de recherche a développé une plate-forme de diagnostic des maladies qui reconnaît les schémas respiratoires individuels en utilisant un système de réseau de capteurs multiples avec diverses couches de détection et des catalyseurs hétérogènes, afin que les gens puissent facilement identifier les anomalies de santé. En utilisant un système de réseau de 16 capteurs, les conditions physiques peuvent être surveillées en continu en analysant les changements de concentration des biomarqueurs dans les gaz respiratoires expirés.

Le professeur Kim a dit :« De nouveaux types de nanocatalyseurs hétérogènes ont été synthétisés à l'aide de modèles de protéines d'une taille d'environ 2 nm et fonctionnalisés sur diverses couches de détection de nanofibres d'oxyde métallique. Les bibliothèques de détection établies peuvent détecter des espèces de biomarqueurs avec une sensibilité et une sélectivité élevées. Il ajouta, « la nouvelle plate-forme innovante d'analyse des gaz respiratoires sera très utile pour réduire les dépenses médicales et la surveillance continue des conditions physiques »

Les brevets liés à cette technologie ont été concédés sous licence à deux sociétés en mars et juin de cette année.