Exhaled Breath Analysis for Non-Invasive Diagnosis of Tropical Diseases

Abstract

Les malalties tropicals desateses (MTD) pertanyen al grup de malalties infeccioses. Són endèmiques en la major part del món i afecten més de mil milions de persones a tot el món, especialment a les poblacions de baixos ingressos de les regions en desenvolupament. La infecció en humans es caracteritza per un període d'incubació asimptomàtica crònica i perllongada sense símptomes notables de la malaltia, el que retarda la prescripció d'un tractament mèdic adequat i oportú. La prevenció, el diagnòstic i el control d'aquestes malalties segueixen sent un desafiament metge no resolt encara. Aquesta tesi ha tingut com a objectiu desenvolupar una metodologia no invasiva, segura i amigable per al pacient per a un diagnòstic ràpid de les MTD. L'enfocament de la meva tesi es va basar en el diagnòstic de la malaltia a través de l'anàlisi de mostres d'alè exhalat, que són fàcils d'obtenir i no presenten molèsties ni riscos per a la salut dels pacients. El treball de la meva tesi es va centrar en tres tipus diferents de malalties tropicals desateses (dengue, equinococcosi i leishmaniosi) causades per tres patògens diferents (infeccions virals, helmínticas i protozoàries, respectivament). Les mostres d'alè es van recollir amb dispositius homologats Bio-VOC, que són fàcils d'usar i requereixen d'una preparació mínima. Per analitzar les mostres d'alè, primer es van emprar tècniques analítiques estàndard per a la identificació dels biomarcadors volàtils d'aquestes malalties. Un altre dels objectius de la meva tesi va ser dissenyar i fabricar una matriu de sensors químics de gasos amb sensibilitats creuades basats en nanopartícules de metall ultrapur funcionalitzades amb diversos compostos orgànics, per la qual cosa vaig emprar una tècnica innovadora basada en deposició física en fase vapor. Els nous sensors van ser caracteritzats i es van emprar per identificar els patrons de les malalties estudiades en les mostres d'alè. Les respostes dels sensors químics de gasos exposats a les mostres d'alè es van usar per a construir models de reconeixement de patrons per al diagnòstic d'aquestes malalties. Els resultats obtinguts han revelat que l'anàlisi de l'alè exhalat amb una matriu de sensors de gasos basats en nanoensamblajes de nanopartícules de metall ultrapur té un gran potencial com a prova diagnòstica fiable per a les MTD.

Las enfermedades tropicales desatendidas (ETD) pertenecen al grupo de enfermedades infecciosas. Son endémicas en la mayor parte del mundo y afectan a más de mil millones de personas en todo el mundo, especialmente a las poblaciones de bajos ingresos de las regiones en desarrollo. La infección en humanos se caracteriza por un período de incubación asintomática crónica y prolongada sin síntomas notables de la enfermedad, lo que retrasa la prescripción de un tratamiento médico adecuado y oportuno. La prevención, el diagnóstico y el control de estas enfermedades siguen siendo un desafío médico no resuelto aún. Esta tesis ha tenido como objetivo desarrollar una metodología no invasiva, segura y amigable para el paciente para un diagnóstico rápido de las ETD. El enfoque de mi tesis se basó en el diagnóstico de la enfermedad a través del análisis de muestras de aliento exhalado, que son fáciles de obtener y no presentan molestias ni riesgos para la salud de los pacientes. El trabajo de mi tesis se centró en tres tipos diferentes de enfermedades tropicales desatendidas (dengue, equinococosis y leishmaniasis) causadas por tres patógenos diferentes (infecciones virales, helmínticas y protozoarias, respectivamente). Las muestras de aliento se recogieron con dispositivos homologados Bio-VOC, que son fáciles de usar y requieren de una preparación mínima. Para analizar las muestras de aliento, primero se emplearon técnicas analíticas estándar para la identificación de los biomarcadores volátiles de estas enfermedades. Otro de los objetivos de mi tesis fue diseñar y fabricar una matriz de sensores químicos de gases con sensibilidades cruzadas basados en nanopartículas de metal ultrapuro funcionalizadas con diversos compuestos orgánicos, para lo cual empleé una técnica innovadora basada en deposición física en fase vapor. Los nuevos sensores fueron caracterizados y se emplearon para identificar los patrones de las enfermedades estudiadas en las muestras de aliento. Las respuestas de los sensores químicos de gases expuestos a las muestras de aliento se usaron para construir modelos de reconocimiento de patrones para el diagnóstico de estas enfermedades. Los resultados obtenidos han revelado que el análisis del aliento exhalado con una matriz de sensores de gases basados en nanoensamblajes de nanopartículas de metal ultrapur

Neglected Tropical Diseases (NTDs) belong to the group of infectious diseases. They are endemic in most parts of the world, affecting more than one billion people worldwide, especially low income populations from developing regions. The infection to humans is characterized by a chronic and prolonged asymptomatic incubation period without noticeable symptoms of the disease, which delays the prescription of a suitable and timely medical treatment. The prevention, diagnosis and control of these diseases still remain an unsolved medical challenge. This thesis aimed to develop a non-invasive, safe and patient-friendly methodology for rapid diagnosis of NTDs. The thesis approach was based on disease diagnosis via exhaled breath samples analyses, which are easy to obtain and present no discomfort or risk for patients’ health. The thesis work was focused on three different types of neglected tropical diseases (Dengue, Echinococcosis and Leishmaniasis) caused by three different pathogens (viral, helminthic and protozoan infections, respectively). Breath collection was realized with homologated Bio-VOCTM breath samplers, which are simple and user friendly and require minimal training. For analyzing the breath samples, at first standard analytical techniques were employed for the identification of the breath volatile biomarkers of these diseases. As another objective of my thesis, an array of cross reactive chemical gas sensors based on ultrapure metal nanoparticles – ligand nanoassemblies comprising diverse functional organic ligands was designed and fabricated employing an innovative physical deposition route. The new sensors were characterized and employed for the analysis of the breath print profiles of the diseases under study. The responses of the chemical gas sensors to the breath samples were used to build predictive pattern recognition models for the diagnoses of these diseases. The results obtained revealed that exhaled breath analysis with cross reactive gas sensors arrays based on ultrapure metal nanoparticles-ligand nanoassemblies holds significant potential as a cost-effective, simple and non-invasive diagnostic test for NTDs.