Breath sampling: la parola agli esperti

Tra gli strumenti più promettenti per la diagnosi precoce e non invasiva c’è l’analisi del respiro. Secondo uno studio scientifico, Mistral risulta la migliore soluzione sul mercato per campionare l’espirato

 

 

Per il campionamento dell’espirato umano (breath sampling) oggi sono disponibili diversi metodi e dispositivi commerciali, risultato della ricerca scientifica legata alla breath analysis.

Sulla prestigiosa rivista “Molecules nel mese di dicembre 2020 è stato pubblicato uno studio indipendente realizzato da docenti e ricercatori dall’Università di Bari in collaborazione con l’Istituto tumori “Giovanni Paolo II” di Bari, il Centro regionale pugliese di Breath Analysis (Cerba) e il dipartimento di Chimica e Scienze farmaceutiche dell’Università di Trieste, con l’obiettivo di confrontare metodi e device per la raccolta del respiro ai fini della diagnosi precoce e non invasiva di una serie di patologie, anche tumorali.

Il gruppo di lavoro, coordinato dal prof. Gianluigi de Gennaro, da alcuni anni impegnato in questo filone di ricerca come dimostrato dalla letteratura di settore, è lo stesso che, pochi mesi fa, ha pubblicato sulla rivista internazionale “Cancers” i risultati di uno studio decisamente interessante sul fronte della diagnosi precoce.

 

“Tra i metaboliti del respiro umano è stato individuato un gruppo di molecole in grado di rivelare la presenza di mesotelioma, una forma di tumore polmonare legata principalmente all’esposizione ad amianto per le quali non si dispone attualmente di un test di screening per la diagnosi precoce”, spiega de Gennaro, docente dell’Università degli Studi di Bari, ricercatore di Chimica dell’Ambiente presso il Dipartimento di Biologia, e autore di decine di pubblicazioni sul tema.

Lo studio pubblicato su “Molecules”

La ricerca scientifica dal titolo “Breath Analysis: Comparison among Methodological Approaches for Breath Sampling”,  a firma di Di Gilio A., Palmisani J., Ventrella G., Facchini L., Catino A., Varesano N., Pizzutilo P., Galetta D., Borelli M., Barbieri P., Licen S., de Gennaro G., nasce dalla necessità di provare a standardizzare un processo che permetta di rendere l’analisi dei Composti Organici Volatili (VOCs) presenti nel respiro, una tecnica diagnostica di routine, tenuto conto delle sue potenzialità tra cui spicca la non invasività per il paziente.

La tecnica innovativa si basa sul monitoraggio dei VOCs presenti nell’espirato che rappresentano un fingerprint dello stato metabolico del nostro organismo e delle eventuali alterazioni dovute alla presenza di patologie. Sono delle sentinelle a tutti gli effetti.

Fino a qualche anno fa, il più grave ostacolo alla diffusione di questa tecnologia diagnostica, potenzialmente rivoluzionaria, era legato all’assenza di dispositivi dedicati e, quindi, alla mancanza di procedure standard con una conseguente difficoltà di replicazione dei risultati.

Oggi la bilancia pende decisamente verso l’ottimismo grazie ai nuovi dispositivi disponibili sul mercato.

Secondo il prof. Gianluigi de Gennaro, con la Breath Analysis si apre uno scenario affascinante: “è noto – afferma – che i livelli di VOCs nei campioni di respiro umano sono fortemente influenzati dalla modalità di campionatura e dai parametri utilizzati per la raccolta dell’esalato. La valutazione e quantificazione dei principali fattori di campionamento che influenzano l’output del breath test e lo sviluppo di una procedura standard di campionatura dell’aria espirata sono attualmente tra le sfide più ambiziose per la comunità scientifica in questo campo”.

Uno degli obiettivi del lavoro scientifico è stato confrontare diversi approcci di campionamento dell’aria espirata, al fine di approfondire i rispettivi punti di forza e/o debolezza, e di verificare l’efficacia dei due nuovi dispositivi automatici per il rilevamento del respiro attualmente sul mercato:

  • ReCIVA® (Owlstone Medical Ltd. – Cambridge, UK)
  • MISTRAL® (dell’azienda pugliese Predict)

 

Due device a confronto

Il metodo più diffuso, fino a ieri, per campionare il soffio era l’impiego di sacchetti polimerici (Tedlar), ma c’erano sia il problema di non poter controllare e standardizzare il processo che quello della contaminazione del campione con l’aria dell’ambiente circostante, come questa pubblicazione scientifica ha ulteriormente rimarcato.

Più recentemente sono stati sviluppati e lanciati sul mercato due dispositivi chiamati MISTRAL e ReCIVA, entrambi in grado di superare tali limiti e raccogliere i campioni direttamente su tubi adsorbenti (cartucce). I due sistemi, seppure apparentemente simili, in realtà nascondono importanti differenze.

Per mettere a confronto l’efficacia delle due apparecchiature e testarne la funzionalità rispetto al metodo tradizionale in sacca polimerica, gli autori dello studio hanno sviluppato un sistema sperimentale ad hoc per quest’ultimo.

Nello ricerca scientifica sono stati testati tre diversi approcci:

  • Raccolta di espirato misto non controllato in sacche di Tedlar,
  • Raccolta automatizzata e controllata della porzione alveolare del respiro e dell’aria ambiente direttamente su cartuccia (campionatore MISTRAL),
  • Raccolta automatizzata di espirato misto e alveolare su cartuccia (campionatore ReCIVA).

L’analisi di questi campioni ha portato gli autori a focalizzare l’attenzione sugli aspetti fondamentali per il buon esito del campionamento e quindi più in generale dell’analisi del respiro.

L’influenza dell’aria circostante (ambiente) sulla qualità del campione è risultata importante sui campioni di espirato misto (ReCIVA e sacca) evidenziando come la frazione alveolare dell’aria espirata e cioè la fase terminale dell’espirazione in equilibrio con il sangue a livello degli alveoli polmonari, è la più ricca di informazione diagnostica. In questa direzione si possono osservare anche una minore dispersione dei dati e una potenziale migliore capacità di risposta di MISTRAL rispetto a ReCIVA che si associa ad un fondo di emissione più basso per il primo rispetto al secondo; aspetto legato alla scelta dei materiali impiegati nella realizzazione dei dispositivi.

L’analisi di tutti i dati, inclusi quelli ottenuti dall’analisi esplorativa del campione di aria espirata da paziente affetto da cancro del polmone, ha dimostrato che la scelta di effettuare un lavaggio polmonare facendo respirare al paziente aria pulita è fortemente time consuming e potrebbe rappresentare anche un ulteriore fattore di confusione nel breath test poichè  il wash-out polmonare è risultato fortemente dipendente,. La scelta implementata in MISTRAL in questa direzione è risultata, pertanto, più funzionale allo scopo e a garantire un campione il più possibile rappresentativo della realtà.

 

Prime conclusioni e nuovi studi 

Proprio in virtù del diverso approccio tecnologico tra le due apparecchiature, utilizzando MISTRAL sono stati ottenuti risultati che gli autori definiscono “coerenti” e maggiormente “riproducibili”.

I ricercatori hanno suggerito che la più alta dispersione dei dati rilevati con il ReCIVA, che si traduce in un’apparente instabilità del sistema, potrebbe forse essere migliorata implementando soluzioni mirate ad un maggiore controllo dei flussi.

Il prof. de Gennaro va dritto al punto: “MISTRAL è attualmente il miglior campionatore sul mercato. È stato pensato – prosegue – per organizzare, cioè campionare e analizzare il respiro in maniera riproducibile, cioè per standardizzare la metodologia. In un’ottica di diffusione di sistemi di intelligenza artificiale è avanti in quanto implementa già soluzioni software in grado di fornire preziose informazioni di carattere epidemiologico e sulla eventuale diffusione territoriale di specifiche malattie. MISTRAL si propone anche come uno strumento di medicina personalizzata”.

In un’ottica di ottimizzazione delle risorse (tempi operativi e numero/tipologia di fasi previste) e di attenzione all’ambiente (tipologia di boccagli monouso impiegati) è importante evidenziare come le due società abbiano implementato soluzioni differenti. Il docente dell’Università di Bari sottolinea infine come siano comunque necessari altri e più approfonditi studi.

Testate le capacità prestazionali delle macchine, l’obiettivo principale futuro sarà l’impiego delle stesse per verificare la capacità diagnostica della breath analysis su grandi fette di popolazione.

“La prospettiva della Breath Analysis è disporre di un biomarcatore come quello presente in altri fluidi biologici, come il sangue o le urine”, spiega de Gennaro. “Il campione di respiro è più facile e meno invasivo da rilevare, per cui si può utilizzare per studi di maggiore entità. L’evoluzione – prosegue – è farlo diventare un marcatore di ampio spettro, che non serva soltanto per le malattie, ma anche per monitorare tutti i processi e le interazioni che si sviluppano nell’organismo: come reagiscono i farmaci, come si metabolizzano i cibi”.

Il lavoro in questa direzione è già iniziato.

 

 

 

(a cura di Mario Maffei)
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