Detección de infecciones pulmonares con análisis del aliento y aprendizaje automático

Investigadores del Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), junto con profesionales clínicos del Hospital Clínic de Barcelona, utilizan la tecnología de «nariz electrónica» y aprendizaje automático para analizar el aliento de pacientes e identificar, con un elevado grado de precisión, quiénes padecen infecciones pulmonares por P. aeruginosa, un patógeno resistente a múltiples fármacos.
Este método podría constituir una forma eficiente y no invasiva de diagnóstico y control de pacientes con infecciones pulmonares bacterianas, además de ser una alternativa más rápida a los típicos cultivos de esputos.

La bronquiectasia es una enfermedad pulmonar crónica que causa infecciones frecuentes y problemas para respirar. Pese a que es más común en las mujeres y en pacientes de edad avanzada, afecta a personas de todas las edades y de ambos sexos, y, si no se trata adecuadamente, tiende a empeorar con el tiempo.
Tradicionalmente, las infecciones pulmonares se diagnostican mediante un procedimiento largo y lento que consiste en recoger una muestra de esputo que se utiliza, primero para cultivar la bacteria en el laboratorio, y después para identificar el microorganismo que está causando la enfermedad.

En este contexto, ahora se está evaluando el análisis del aliento como método alternativo para diagnosticar, controlar y clasificar a los pacientes. Ofrece ventajas frente a otras técnicas de diagnóstico ya que el suministro de muestras es ilimitado, que las muestras se pueden recoger por medios no invasivos y que los resultados del análisis se obtienen rápidamente. Sin embargo, el aliento es un biofluido complejo formado por miles de compuestos en concentraciones muy bajas. Además, no existen métodos estandarizados para tomar muestras de aliento y las diferencias en el aliento pueden deberse a múltiples factores. Aunque el análisis químico del aliento ha llegado a la práctica clínica en algunas enfermedades, como el asma, la intolerancia a la sacarosa o un crecimiento anormal de bacterias en el intestino delgado, extenderlo a otras dolencias supone un desafío.

El grupo de Procesamiento de señales e información para sistemas de sensores del IBEC, liderado por el Dr. Santiago Marco, también profesor en la Universidad de Barcelona (UB), trabaja para mejorar la metodología de supervisión de las infecciones pulmonares en pacientes con bronquiectasia y acercar esta técnica a la práctica clínica. Luciana Fontes de Oliveira y otros investigadores del grupo de Santiago Marco, en colaboración con investigadores de la Universidad de Barcelona y el Hospital Clínic – IDIBAPS han publicado recientemente un artículo sobre cómo detectar infecciones pulmonares con análisis del aliento.

Comparación de las técnicas de análisis del aliento

Para llevar a cabo este trabajo, los investigadores estudiaron dos técnicas de análisis del aliento que se han explorado ampliamente en la bibliografía médica: la nariz electrónica («e-nose») y la cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas (GC-MS, por sus siglas en inglés).

Una nariz electrónica es un dispositivo con sensores que analiza los patrones de los compuestos orgánicos volátiles (COV) en el aliento exhalado del paciente. Por otro lado, la GC-MS se considera la técnica de referencia para analizar y identificar potencialmente sustancias en una muestra gaseosa. Esta técnica combina la capacidad de la cromatografía de gases para separar moléculas con la capacidad de la espectrometría de masas para proporcionar una huella de masas que a veces permite la identificación química de los COV.

En estudios anteriores, la nariz electrónica ha demostrado ser efectiva en la identificación de infecciones por Pseudomonas aeruginosa en pacientes con bronquiectasia, una infección pulmonar frecuente en estos casos. En este estudio, y por primera vez, se han analizado las mismas muestras empleando ambas técnicas, con la esperanza de que la GC-MS pudiera aportar la identidad química de supuestos biomarcadores de infección en pacientes con bronquiectasia.

Puesto que esta enfermedad es más frecuente en mujeres, se analizaron tres grupos formados únicamente por mujeres: bronquiectasia sin infección, bronquiectasia con infección por Pseudomonas aeruginosa en curso conocida y controles sanos. Las muestras se tomaron en el hospital y las mediciones con la nariz electrónica y la GC-MS se realizaron en el mismo día.

«Observamos que la nariz electrónica, junto con el software adecuado para el aprendizaje automático, podía clasificar adecuadamente a los controles sanos frente a los pacientes con bronquiectasia con infección por Pseudomonas Aeruginosa en el 100 % de los casos de validación», explica Santiago Marco. La técnica también pudo diferenciar la bronquiectasia de los controles sanos con un 95 % de precisión y la bronquiectasia con PA de la bronquiectasia en un 87 % de los casos.

Sin embargo, el análisis mediante GC-MS no resultó fiable y no se detectaron biomarcadores. A pesar de la mayor capacidad analítica de la GC-MS, la complejidad y la riqueza de los datos aportados dificultó la detección de biomarcadores discriminantes.

«Lo que este estudio demuestra es que la aplicación de los procedimientos de trabajo estándar para el análisis de datos de la GC-MS no es suficiente. La riqueza de los datos de la GC-MS hace que detectar biomarcadores sea tan difícil como encontrar una aguja en un pajar», añade Marco. «Los resultados positivos obtenidos con la nariz electrónica indican que un análisis de datos más sofisticado y un mayor tamaño de la muestra podría proporcionar resultados positivos».

Aunque el análisis del aliento tiene ventajas evidentes frente a otras técnicas de análisis, como, por ejemplo, la rapidez, los resultados de este estudio se encuentran todavía en una fase muy temprana y será necesario seguir investigando antes de que llegue a la práctica clínica. «En estudios futuros, tendremos que confirmar nuestras conclusiones con más pacientes y más centros, así como confirmar que existe solidez estadística», concluye Marco.

El análisis del aliento ofrece una alternativa interesante para el diagnóstico de la infección por Pseudomonas aureoginosa en pacientes con bronquiectasia, ya que es preciso y más rápido que los cultivos de esputos. Sin embargo, el descubrimiento de los biomarcadores químicos detrás de las diferencias observadas requiere más investigación.Dr. Santiago Marco, IBEC

Este campo de investigación es muy importante para el diagnóstico temprano y no invasivo de la infección bronquial, puesto que tiene un gran impacto en la calidad de vida, el pronóstico y el tratamiento de los pacientes.Oriol Sibila, Hospital Clínic de Barcelona

Artículo de referencia: L. Fontes de Oliveira, C. Mallafré-Muro, J. Giner, L. Perea, O. Sibila, A. Pardo y S. Marco. Breath analysis using electronic nose and gas chromatography- mass spectrometry: a pilot study on bronchial infections in bronchiectasis. Clinica Chimica Acta (2021).