Unos cilios sensoriales robóticos permiten detectar enfermedades de las vías respiratorias

Científicos desarrollan unos cilios artificiales capaces de monitorizar la mucosidad de las vías respiratorias para detectar mejor las infecciones y las obstrucciones de las vías respiratorias, así como la gravedad de enfermedades como la fibrosis quística, la EPOC y el cáncer de pulmón.

Por Enrique Coperías

Un sistema de cilios artificiales es capaz de monitorizar el estado de la mucosidad que recubre las vías respiratorias para detectar mejor posibles infecciones u obstrucciones. Crédito: Universidad de Vanderbilt

El profesor Xiaoguang Dong, experto en Ingeniería Mecánica en la Universidad Vanderbilt (Estados Unidos), dirige un equipo de investigadores que ha desarrollado un sistema de cilios artificiales —una suerte de miniescobillas– capaces de monitorizar las condiciones de la mucosidad en las vías respiratorias humanas para detectar de forma más precisa infecciones y obstrucciones de las vías respiratorias, así como la gravedad de enfermedades como la fibrosis quística (FQ), la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) y el cáncer de pulmón.

En su artículo, publicado en la revista PNAS, los investigadores señalan que la monitorización continua del estado de las vías aéreas es crucial para poder intervenir a tiempo, sobre todo cuando se implantan endoprótesis en las vías respiratorias para aliviar la obstrucción central de las mismas en el cáncer de pulmón y otras enfermedades que afectan al aparato respiratorio.

En concreto, las condiciones de la mucosa ofrecen biomarcadores importantes para indicar la inflamación y la permeabilidad de la endoprótesis, pero siguen siendo difíciles de monitorizar. Los métodos actuales, basados en la tomografía computarizada y la inspección broncoscópica, presentan riesgos derivados de la radiación y carecen de la capacidad de proporcionar información continua en tiempo real fuera de los hospitales.

Un vistazo a la viscosidad y el grosor de la capa de moco

Hay que recordar que la mucosa de las vías respiratorias es una capa de tejido que recubre el sistema respiratorio desde las fosas nasales hasta los bronquiolos, y cumple funciones cruciales en la protección, humidificación y filtrado del aire inhalado. Dicha mucosa está compuesta por varias capas y tipos celulares, y su estructura varía ligeramente a lo largo de las distintas secciones del sistema respiratorio.

Mecanismo de detección del espesor de la capa de moco. Este gif muestra primero el mecanismo de detección del espesor de la capa de moco y el proceso de calibración. Cortesía: Yusheng Wang et al /PNAS

Imitando la capacidad sensorial de los cilios biológicos, Dong y su equipo desarrollaron una novedosa tecnología para detectar las condiciones del moco, como la viscosidad y el grosor de la capa, que son biomarcadores cruciales de la gravedad de la enfermedad.

Los cilios biológicos son proyecciones microscópicas en forma de cabello que se encuentran en la superficie de ciertas células y se mueven de forma coordinada. En el sistema respiratorio, los cilios ayudan a movilizar el moco cargado de partículas y microorganismos hacia el exterior, lo que protege a los pulmones de infecciones y agentes contaminantes.

La información va al móvil o la nube

«El mecanismo de detección de la viscosidad del moco aprovecha los campos magnéticos externos para accionar un cilio artificial magnético y detectar su forma mediante un extensómetro flexible», escriben los investigadores en PNAS. Y añaden—: Además, presentamos un cilio artificial con detección capacitiva del grosor de la capa de moco, que ofrece una autocalibración, una sensibilidad ajustable y un alcance únicos, todo ello gracias a los campos magnéticos externos generados por un sistema de actuación magnética portátil».

Los investigadores probaron el método desplegando los sensores de forma independiente o junto con una endoprótesis de vía aérea dentro de una tráquea artificial y una tráquea de oveja. Las señales de los sensores se transfieren de forma inalámbrica a un teléfono móvil o a la nube para analizar los datos y diagnosticar la enfermedad.

«Los mecanismos y dispositivos de detección propuestos allanan el camino para la monitorización en tiempo real de las condiciones de la mucosa, lo que facilita la detección precoz de la enfermedad y proporcionando alertas de permeabilidad del stent [del sistema de cilios robotizados] lo que permite llevar a cabo las intervenciones que sean oportunas y llevar a cabo una atención personalizada», podemos leer en el estudio.

• Información facilitada por la Universidad Vanderbilt

• Fuente: Y. Wang, C. Negron, A. Khoshnaw, S. Edwards, H. Vu, J. Quatela, N. Park, F. Maldonado, C. Demarest, V. Simon, C. Oskay, X. Dong. Sensory artificial cilia for in situ monitoring of airway physiological properties. PNAS (2024). DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2412086121