Soffiare invece di analizzare il sangue
Un colpo, per favore. In futuro, questo non varrà solo per i controlli sull'alcol da parte della polizia, ma anche per verificare lo stato di allenamento degli sportivi e delle persone che hanno dichiarato guerra alla ciccia. Grazie a un sensore sviluppato dai ricercatori dell'ETH, queste persone potranno facilmente misurare quando il loro corpo inizia a bruciare i grassi analizzando il loro respiro.
Se volete perdere i chili in eccesso, gli esperti consigliano di mangiare meno e fare più esercizio fisico. L'allenamento di resistenza è un'opzione. Il corpo non brucia solo i carboidrati, come gli zuccheri, ma anche i grassi. Il momento in cui l'organismo inizia a bruciare i grassi può ora essere determinato analizzando i biomarcatori presenti nel sangue o nelle urine, ad esempio. Gli scienziati dell'ETH di Zurigo e dell'Ospedale universitario di Zurigo hanno ora sviluppato un metodo che permette di rilevare facilmente e in tempo reale la perdita di grasso nel respiro degli atleti.
"Quando il grasso viene scomposto nel corpo, si producono sottoprodotti che finiscono nel sangue", spiega Andreas Güntner, postdoc nel gruppo del professor Sotiris Pratsinis dell'ETH. Negli alveoli, queste molecole possono passare nell'aria che respiriamo, soprattutto quelle altamente volatili. Il più volatile di questi prodotti di degradazione dei grassi è l'acetone. Güntner e i suoi colleghi hanno sviluppato un piccolo sensore di gas che misura questa sostanza. Il loro sensore è molto più sensibile di quelli precedenti: può rilevare singole molecole di acetone in centinaia di milioni di altre molecole. Inoltre, il sensore misura solo l'acetone e nient'altro; gli altri oltre 800 componenti volatili conosciuti nell'aria che respiriamo non influenzano la misurazione.
Grandi differenze individuali
In collaborazione con gli specialisti polmonari dell'Ospedale universitario di Zurigo sotto la direzione di Malcolm Kohler, professore e direttore del Dipartimento di pneumologia, gli scienziati hanno testato la funzione del sensore in volontari che praticavano sport. Hanno completato un'ora e mezza di allenamento su un cicloergometro con due brevi pause. A intervalli regolari, i ricercatori hanno fatto soffiare i volontari in un tubo collegato al sensore di acetone.
"Siamo riusciti a dimostrare che le emissioni di acetone nell'aria che respiriamo variano notevolmente da persona a persona", afferma Güntner. La dottrina precedente, ormai superata, prevedeva che le persone che fanno esercizio fisico iniziassero a bruciare grassi solo dopo un certo tempo di allenamento e una certa frequenza cardiaca. Nelle misurazioni effettuate dagli scienziati zurighesi, alcuni soggetti hanno effettivamente iniziato a bruciare grassi solo verso la fine della sessione di allenamento di un'ora e mezza. Per altri volontari, le misurazioni hanno mostrato che il loro corpo bruciava i grassi molto prima.
Le misurazioni di controllo hanno dimostrato che il nuovo metodo di misurazione corrisponde bene alla concentrazione del biomarcatore beta-idrossibutirrato nel sangue dei soggetti esaminati. Questa analisi del sangue è uno dei metodi standard di oggi per monitorare la perdita di grasso.
Interazione con le nanoparticelle
Il sensore sviluppato dagli scienziati è un chip rivestito da una pellicola porosa di speciali nanoparticelle semiconduttrici. Le particelle sono costituite da triossido di tungsteno, che i ricercatori hanno mescolato con singoli atomi di silicio.
Lo sviluppo di questo chip è iniziato sette anni fa. All'epoca, l'ETH Pratsinis e i suoi collaboratori scoprirono che le nanoparticelle di triossido di tungsteno interagiscono con l'acetone se gli atomi delle nanoparticelle sono disposti in una certa struttura cristallina. L'interazione riduce la resistenza elettrica del chip rivestito con le nanoparticelle, che può essere misurata.
L'idea originale era quella di utilizzare il chip per diagnosticare il diabete. L'idea iniziale era di utilizzare il chip per diagnosticare il diabete, perché nel respiro dei pazienti con diabete di tipo 1 non trattato si ammettono elevate concentrazioni di acetone. Tuttavia, gli scienziati sono ora riusciti a dimostrare che il sensore è abbastanza sensibile da rilevare le bassissime concentrazioni di acetone nel respiro degli atleti.
Il chip utilizzato in questo studio ha le dimensioni di un pezzo da cinque centesimi. Tuttavia, gli scienziati stanno attualmente perfezionando la tecnologia di misurazione a tal punto che dovrebbe essere possibile anche con chip molto più piccoli. L'obiettivo è quello di integrare il chip in un dispositivo maneggevole. "Questo permetterà agli atleti e alle persone che vogliono perdere peso di controllare individualmente quando il loro corpo inizia a bruciare i grassi, per ottimizzare il loro allenamento", dice Güntner.
Economico, piccolo ma altamente sensibile
Misure altamente sensibili dell'acetone potevano già essere effettuate con altri dispositivi di misurazione, i cosiddetti spettrometri di massa. Tuttavia, si tratta di grandi dispositivi da laboratorio che costano diverse centinaia di migliaia di franchi. Nello studio attuale i ricercatori utilizzano tali dispositivi per verificare le loro misurazioni. Sono già disponibili anche dispositivi portatili per la misurazione dell'acetone nel respiro. Tuttavia, possono essere utilizzati una sola volta e visualizzano i risultati solo dopo alcuni minuti. "La nostra tecnologia, invece, ha il grande vantaggio di essere poco costosa, maneggevole e allo stesso tempo altamente sensibile, oltre a consentire misurazioni in tempo reale", spiega Güntner. "? quindi adatta all'uso quotidiano, per l'allenamento in un centro fitness o durante una dieta".
Gli scienziati intendono ora sviluppare ulteriormente il loro metodo di misurazione fino a raggiungere la maturità del mercato. Esiste già un prototipo di dispositivo di misurazione. Allo stesso tempo, gli scienziati stanno lavorando allo sviluppo di sensori di gas per altre molecole di interesse medico presenti nell'aria che respiriamo, tra cui quelli per l'ammoniaca, che possono essere utilizzati per controllare la funzione renale, l'isoprene, per studiare il metabolismo del colesterolo, e varie aldeidi per la diagnosi precoce del cancro ai polmoni.
Riferimento alla letteratura
Güntner AT, Sievi NA, Theodore SJ, Gulich T, Kohler M, Pratsinis SE: Monitoraggio non invasivo della combustione del grasso corporeo dall'acetone espirato con WO drogato di Si3 nanoparticelle di rilevamento. Analytical Chemistry, 11 settembre 2017, doi: pagina esterna10.1021/acs.analchem.7b02843