Dispositivos vestíveis personalizados que monitoram a saúde das pessoas estão em ascensão. De relógios a adesivos e outros tipos de sensores, esses dispositivos inteligentes podem monitorar a atividade cardíaca, níveis de inflamação e muito mais para ajudar os pacientes a gerenciar melhor sua saúde em suas próprias casas. Agora, um novo tipo de dispositivo vestível pode ser adicionado à lista: uma máscara de papel de alta tecnologia que monitora a respiração.
Wei Gao, professor de engenharia médica do Caltech, e seus colegas desenvolveram um protótipo para uma máscara inteligente que pode ser usada para monitorar uma série de condições médicas, incluindo doenças respiratórias, como asma, DPOC (doença pulmonar obstrutiva crônica) e infecções pós-COVID-19. Em contraste com outras máscaras inteligentes sendo desenvolvidas que monitoram mudanças físicas como temperatura, umidade ou taxa de respiração, esta, chamada EBCare, pode analisar os produtos químicos na respiração de uma pessoa em tempo real. (“EBC” é uma sigla usada neste campo que significa “condensado da respiração exalada”.) Por exemplo, a máscara pode monitorar pacientes com asma para níveis de nitrito, um produto químico que indica inflamação das vias aéreas.
“Monitorar a respiração de um paciente é algo feito rotineiramente, por exemplo, para avaliar asma e outras condições respiratórias. No entanto, isso exigiu que o paciente visitasse uma clínica para coleta de amostra, seguido por um período de espera pelos resultados laboratoriais”, diz Gao, o principal pesquisador de um novo estudo que descreve a máscara no periódico Ciência. “Desde a COVID-19, as pessoas estão usando mais máscaras. Podemos aproveitar esse uso maior de máscaras para monitoramento remoto personalizado para obter feedback em tempo real sobre nossa própria saúde em casa ou no escritório. Por exemplo, poderíamos usar essas informações para avaliar o quão bem um tratamento médico pode estar funcionando.”
Gao, que também é um pesquisador do Heritage Medical Research Institute e bolsista Ronald e JoAnne Willens, já desenvolveu uma gama de biossensores vestíveis que analisam o suor humano para medir metabólitos, nutrientes, hormônios e níveis de proteína. Neste caso, o objetivo de Gao era monitorar a respiração, o que veio com um novo conjunto de desafios.
Para analisar seletivamente os produtos químicos ou moléculas na respiração de alguém, ela precisa primeiro ser resfriada e condensada em um líquido. Em ambientes clínicos, essa etapa de resfriamento é feita separadamente da análise. Amostras de respiração úmida são resfriadas em baldes de gelo ou refrigeradores refrigerados volumosos. A nova máscara de Gao, em contraste, é auto-resfriada. A respiração é resfriada por um sistema de resfriamento passivo que integra resfriamento evaporativo de hidrogel com resfriamento radiativo para resfriar efetivamente a respiração em máscaras faciais.
“A máscara representa um novo paradigma para o gerenciamento de doenças respiratórias e metabólicas e medicina precisa porque podemos facilmente obter amostras de respiração e analisar as moléculas químicas na respiração em tempo real por meio de máscaras diárias”, diz Wenzheng Heng, autor principal do estudo e aluno de pós-graduação no Caltech. “O condensado da respiração contém gases solúveis, bem como substâncias não voláteis na forma de aerossóis ou gotículas, como substâncias metabólicas, indicadores inflamatórios e patógenos.”
Uma vez que a respiração foi convertida em um líquido, uma série de capilares, pertencentes a uma classe de dispositivos chamados de microfluídica bioinspirada, imediatamente transportam o líquido para sensores para análise. “Aprendemos com as plantas como transportar a água”, diz Gao. “As plantas usam forças capilares para puxar a água para cima do solo.”
Os resultados da análise são então transmitidos sem fio para um telefone pessoal, tablet ou computador. “A máscara inteligente pode ser preparada a um custo relativamente baixo”, diz Gao. “Ela foi projetada para custar apenas cerca de US$ 1 em materiais.”
Para testar as máscaras, a equipe realizou um conjunto de estudos em humanos, focados principalmente em pacientes com asma ou DPOC. Eles monitoraram especificamente a respiração dos pacientes para nitrito, um biomarcador para inflamação em ambas as condições. Os resultados mostraram que as máscaras detectaram com precisão o biomarcador, indicando inflamação nas vias aéreas dos pacientes.
Em outro estudo, a equipe demonstrou que as máscaras detectaram com precisão os níveis de álcool no sangue de seres humanos, sugerindo que as máscaras poderiam ser usadas para verificações de álcool e direção no local ou outras formas de monitoramento do consumo de álcool.
Eles também analisaram como as máscaras poderiam ser potencialmente usadas para avaliar os níveis de ureia no sangue no monitoramento e tratamento de doenças renais. À medida que a função renal diminui, subprodutos do metabolismo de proteínas como a ureia se acumulam no sangue. Ao mesmo tempo, a ureia aumenta na saliva, que se decompõe em gás amônia, e isso leva a níveis mais altos de amônio no condensado da respiração. O novo estudo mostrou que as máscaras inteligentes podem detectar com precisão esses níveis de amônio, refletindo de perto os níveis de ureia no sangue.
“Esses primeiros estudos são uma prova de conceito”, diz Gao. “Queremos expandir essa tecnologia para incorporar diferentes marcadores relacionados a várias condições de saúde. Esta é uma base para criar uma máscara que funcione como uma plataforma versátil de monitoramento geral da saúde.”
Quanto ao conforto das máscaras, os participantes relataram experiências favoráveis, mesmo aqueles com problemas respiratórios.
“A plataforma de máscara inteligente para coleta e análise de EBC representa um grande avanço no potencial de monitorar a saúde pulmonar em tempo real”, diz o coautor Harry Rossiter, pesquisador do Lundquist Institute for Biomedical Innovation em Harbor-UCLA e professor de medicina na David Geffen School of Medicine na UCLA. “Esse conceito, de que biossensores para uma ampla gama de compostos podem ser adicionados no futuro, destaca o potencial de mudança de jogo da máscara inteligente para monitoramento e diagnóstico de saúde.”
O estudo intitulado “Uma máscara inteligente para coleta e análise de condensado de ar exalado” foi financiado pelo National Institutes of Health, National Science Foundation, Tobacco Related Disease Research Program e US Army Medical Research Acquisition Activity. Outros autores do Caltech incluem os alunos de pós-graduação Shukun (Kevin) Yin, Canran Wang, Hong Han e Jiahong Li, e o pós-doutorado Jihong Min, além de Ehsan Shirzaei Sani e Yu Song, ex-pós-doutores do Caltech.
