Bebida, drogas e doenças: a química dos testes de respiração – Chemistry world

CLARE SANSOM 13 DE abril DE 2021

Capa: Fonte: © Getty Images – Os testes de bafômetro na estrada para os níveis de álcool já existem há décadas

De testes de beira de estrada ao diagnóstico de Covid-19,

Clare Sansom analisa como os bafômetros se desenvolveram:

Até muito recentemente, a maioria de nós mal pensava duas vezes em respirar, tão essencial quanto para a vida e sobrevivência, nós o tínhamos como certo, um ato tão natural quanto … respirar bem!

Desde que a pandemia Covid-19 varreu o mundo, no entanto, todos nós nos tornamos mais conscientes de nossa própria respiração e especialmente da respiração daqueles com quem temos contato próximo. Mas há muito mais que podemos aprender com a composição e a química do ar que exalamos.

Cheirar o hálito de uma pessoa foi um dos primeiros testes diagnósticos conhecidos, mesmo já na época romana, o cheiro adocicado de acetona no hálito de uma pessoa era um forte indício de que ela sofria de diabetes mellitus. A tecnologia de análise respiratória avançou dramaticamente desde então, é claro, mas a tecnologia com a qual as pessoas estão mais familiarizadas é a forense: o teste de alcoolemia à beira da estrada.

Muitas pessoas terão visto um motorista ocasional sendo solicitado a soprar em um dispositivo portátil para testar sua sobriedade, testes semelhantes para dirigir sob a influência de drogas estão começando a ser desenvolvidos e técnicas comparáveis ​​agora são usadas no diagnóstico de doenças pulmonares, incluindo Covid-19. A esperança é que, depois que a pandemia passar, as técnicas desenvolvidas para diagnosticar essa infecção viral encontrem outras aplicações na medicina respiratória e além.

Revolução na estrada

A presença de álcool no hálito exalado de quem bebe é óbvia para quem já passou um tempo em pubs e bares lotados. Existe uma forte correlação direta entre a concentração de álcool em uma amostra de sangue e no ar exalado, o que permite a análise do ar expirado como substituto ou substituto para análises laboratoriais de amostras de sangue. Além disso, é relativamente fácil detectar e medir o álcool (a molécula simples de etanol, C 2 H 5 OH) na respiração porque é volátil: isto é, evapora prontamente à temperatura corporal e é emitido e facilmente mensurável na respiração exalada.

No século 19, as pessoas curiosas sobre os efeitos das bebidas alcoólicas no comportamento se perguntavam se o etanol deveria ser tratado como um alimento, um medicamento ou um veneno. Isso coincidiu com o rápido desenvolvimento da química analítica e a aplicação dessas técnicas para analisar espécimes biológicos. A descoberta de que uma pequena proporção do álcool que uma pessoa havia consumido era mensurável em amostras de sangue, urina e ar exalado foi um pré-requisito para o desenvolvimento posterior de testes de intoxicação.

O primeiro instrumento praticamente útil para a análise da respiração foi batizado de Breathalyser – o nome dado ao primeiro instrumento produzido em meados da década de 1950, mas uma palavra agora usada para qualquer dispositivo desse tipo. “Os primeiros instrumentos para análise da respiração eram muito volumosos e difíceis de carregar”, diz Wayne Jones, toxicologista forense da Universidade de Linköping, na Suécia. “Mas mesmo assim, como acontece com os dispositivos eletrônicos portáteis que usamos hoje, os instrumentos foram calibrados para traduzir as leituras em concentrações equivalentes de álcool no sangue.” Hoje, a maioria das nações promulgou limites estatutários de álcool para dirigir em termos de concentrações equivalentes medidas no sangue, urina ou respiração. Por exemplo, na Inglaterra e no País de Gales, ‘acima do limite’ significa pelo menos 80mg de álcool em 100ml de sangue, 107mg em 100ml de urina ou 35µg em 100ml de ar expirado.

Ao longo dos anos, três tecnologias analíticas básicas foram incorporadas aos instrumentos usados ​​pela polícia para a análise do álcool no ar expirado – fotometria, espectroscopia e tecnologia de célula de combustível – e diferem em exatidão, precisão, especificidade e facilidade de uso. 

No bafômetro original, o ar exalado foi passado através de uma mistura de dicromato de potássio (K 2 Cr 2 O 7) e ácido sulfúrico em um frasco de vidro. Os cristais de dicromato de potássio oxidam qualquer etanol presente, e a mudança de cor associada no agente oxidante de laranja-amarelo para azul-verde pode ser medida e usada para calcular a concentração de álcool na amostra de ar expirado original. 

Métodos analíticos quantitativos mais precisos, particularmente espectroscopia de infravermelho, surgiram nas décadas de 1970 e 80, e o método predominante incorporado nos testes manuais de triagem na beira da estrada em uso hoje é a oxidação eletroquímica

O etanol serve como combustível e, quando oxidado, gera um sinal elétrico mensurável. “Os pequenos dispositivos eletrônicos portáteis usados ​​pelas forças policiais em todo o mundo são todos baseados na oxidação eletroquímica”, diz Jones.

Esses pequenos dispositivos, no entanto, não são precisos ou precisos o suficiente para serem usados ​​como prova em tribunal. Se o teste de bafômetro na estrada for positivo, o suspeito é levado à delegacia de polícia mais próxima para um teste de bafômetro mais sofisticado – na maioria das vezes usando espectroscopia de infravermelho – em condições ambientais controladas. Isso é necessário para que um processo seja bem-sucedido, mas não é o ideal: as concentrações de álcool no sangue caem à medida que o etanol é metabolizado no fígado, então um motorista que, de acordo com o teste na estrada, está um pouco acima do limite legal provavelmente estará abaixo do limite quando o segundo teste probatório é realizado. É claro que isso pode ser permitido, mas é difícil contabilizar as taxas metabólicas variáveis ​​do etanol no corpo, que podem variar de 10 a 25mg por 100ml de sangue por hora.

Aumentando a precisão

Há, portanto, uma necessidade de novos testes que sejam compactos o suficiente para serem usados ​​na beira da estrada, bem como precisos e precisos o suficiente para que os resultados sejam usados ​​em tribunal. 

O Conselho Consultivo Parlamentar sobre Segurança no Trânsito (Pactos), uma instituição de caridade que trabalha com, e fornece o secretariado para, o Grupo Parlamentar de Todas as Partes para Segurança do Transporte, está realizando uma competição para empresas interessadas em desenvolver tecnologia confiável de teste de bafômetro que atenda aos elevados padrões exigidos. “Os testes de beira de estrada que usamos atualmente não estão dando errado, mas ainda precisamos de maior exatidão, precisão e confiabilidade, e essa necessidade gerou a competição”, disse Evan Webster, diretor de políticas e pesquisas da Pacts.

Fonte: © AlcoSense – Bafômetros disponíveis comercialmente – como este fabricado pela AlcoSense – permitem que o público verifique seus próprios níveis de álcool antes de dirigir

Hunter Abbott, diretor administrativo da AlcoSense, com sede em Maidenhead, Reino Unido, é um dos que esta competição pretende atingir. Ele fundou a empresa, que projeta e fabrica bafômetros comerciais, depois de um acidente em 2005. ‘Eu estava combinando minhas bebidas com um amigo no casamento de outro amigo; nós dois voltamos para casa ao meio-dia no dia seguinte, ele foi parado e considerado acima do limite, o que o levou a perder a carteira de motorista e, posteriormente, o emprego ”, explica. Agora, os produtos da AlcoSense são usados ​​principalmente por empresas de transporte e por indivíduos que precisam evitar esse ‘efeito do dia seguinte’ não intencional. Eles são relativamente baratos e fáceis de usar, com versões melhoradas do teste de dicromato de potássio da década de 1960 na extremidade inferior da faixa e células de combustível na extremidade superior. Seus dispositivos de última geração têm quase a exatidão e a precisão exigidas para o uso de evidências.

A AlcoSense fabrica bafômetros para o mercado europeu e, portanto, deve ser capaz de adaptá-los para testar os diferentes – e mais rígidos – limites que se aplicam lá. A maior parte do continente usa um limite de álcool no sangue de 50mg / ml, com a Polônia e alguns países escandinavos optando por um limite ainda mais restrito de 20mg / ml. A Escócia adotou o padrão europeu de 50mg / ml em 2014.

A diferença, como explica Abbott, é gritante. “No limite escocês, você tem cinco vezes mais probabilidade de se envolver em um acidente fatal do que se estivesse sóbrio; no limite do inglês, você tem 13 vezes mais chances e mesmo com apenas 10mg / ml ainda tem 37% mais chances ”, explica. “A maioria dos motoristas do Reino Unido não sonharia em dirigir sob o efeito do álcool, mas é surpreendentemente fácil deixar resíduos de álcool em seu organismo na manhã seguinte à noite anterior.

Mas mesmo a menor quantidade de álcool pode afetar sua capacidade de dirigir. Teoricamente, o melhor limite a ser definido seria zero, mas isso é tecnologicamente problemático, pois doenças, medicamentos ou mesmo, em alguns casos, o metabolismo normal pode levar a falsos positivos. A cetoacidose diabética é um exemplo chave. Pessoas com diabetes que são dependentes de insulina podem, se seus níveis de insulina caírem muito, desenvolver esta condição na qual o corpo queima gordura em vez de açúcar para obter energia, liberando cetonas voláteis, e isso pode desencadear leituras de falso positivo em alguns bafômetros se o limite for definido muito baixo. “O limite mais seguro e praticável é provavelmente 20 µg / ml”, diz Abbott, e Webster concorda.

Procurando drogas

À medida que o uso de drogas se tornou prevalente, também o aconteceu com o crime de dirigir sob a influência de drogas. Hoje, um policial que observa alguém dirigindo erraticamente, mas não encontra álcool em seu hálito, deve decidir se o suposto agressor está doente, cansado ou angustiado (ou talvez apenas um mau motorista) ou se está sob a influência de qualquer outra droga. Os testes de respiração para drogas estão sendo desenvolvidos, mas este é um exercício analítico muito mais complexo do que o teste de álcool jamais poderia ser

Poucas drogas são tão voláteis quanto o álcool, e há muitos compostos diferentes para serem testados. Um teste negativo para etanol é suficiente para provar que o motorista não está bêbado, mas um teste negativo para drogas pode significar que a droga ingerida não é uma das testadas. E quase todos os medicamentos – medicamentos controlados, que podem afetar seriamente a capacidade de um paciente de dirigir,

É muito mais difícil trapacear em um teste de respiração

Testar motoristas para o uso de drogas ainda é um negócio analítico complexo que envolve análises de sangue ou urina em um laboratório clínico de hospital – mas talvez não por muito mais tempo. “Há pouco mais de 10 anos, fomos desafiados a desenvolver um teste respiratório não invasivo para drogas que poderiam ser usadas na beira da estrada”, disse Olof Beck, toxicologista do Instituto Karolinska em Estocolmo, Suécia. ‘Muitas pessoas pensaram que isso seria extremamente difícil, mas finalmente conseguimos.’ E quando esse kit for finalmente lançado, os testes na estrada não serão seu único uso. Os testes de drogas em prisioneiros geralmente envolvem amostras de urina, mas os prisioneiros podem encontrar maneiras de trapacear. “É muito mais difícil trapacear em um teste de respiração, pois eles podem ser observados facilmente”, acrescenta Beck.

Os compostos não voláteis são exalados em partículas de aerossol: minúsculas gotículas de líquido que se formam durante a respiração normal. Se um sujeito consumiu recentemente uma substância medicamentosa não volátil, essa substância pode ser detectada em uma amostra condensada dessas partículas de aerossol. Beck e seus colegas de trabalho estão desenvolvendo um dispositivo que coletará uma amostra útil se o sujeito respirar normalmente por alguns minutosEsta amostra pode ser levada para um laboratório forense e testada para uma variedade de compostos de drogas usando espectrometria de massa de cromatografia líquida em tandem (LC-MS), uma técnica que é sensível e confiável o suficiente para suas leituras serem usadas em tribunal. Os compostos testados podem incluir todas as principais drogas de abuso, algumas substâncias psicoativas mais novas e drogas terapêuticas que podem ser mal utilizadas, incluindo analgésicos opióides.

Nenhuma máquina LC-MS foi projetada que seja rápida, simples e portátil o suficiente para uso na beira da estrada, mesmo para triagem, mas não é impossível imaginar que tal dispositivo será usado um dia. E mover apenas a coleta de amostras da delegacia para a beira da estrada teria muitas vantagens. Os canabinóides, por exemplo, são metabolizados rapidamente, portanto, transportar um suspeito usuário de cannabis para a delegacia a tempo de obter uma amostra com resultado positivo é um desafio.

Outro problema que a toxicologia forense precisa resolver é uma tendência crescente de combinar álcool e drogas. Um usuário pode até pensar que meio litro e um único baseado estão OK, já que ambos são relativamente inofensivos separadamenteNo entanto, a combinação é mais do que aditiva, mesmo quando as quantidades são pequenas o suficiente para que ambos os testes resultem separadamente negativos. “Os motoristas sob a influência de bebidas e drogas se envolveram em muitos acidentes fatais”, diz Beck.

Um diagnóstico promissor

E a análise da respiração provavelmente tem mais aplicações diagnósticas do que forenses. A Exhalation Technology é uma pequena empresa iniciante com sede em Cambridge, Reino Unido, especializada em testes de condensado de ar exalado (EBC). Tem uma história interessante, como explica Stig Brejl, um de seus diretores. “Os cavalos de corrida freqüentemente sofrem de uma condição semelhante à asma que afeta sua forma, e é importante diagnosticar isso cedo o suficiente para tirar um cavalo afetado de uma corrida. Trabalhando com David Marlin no Animal Health Trust em Newmarket, Reino Unido, identificamos o peróxido de hidrogênio (H 2 O 2) na respiração do cavalo como um biomarcador inflamatório para essa condição e desenvolvemos um dispositivo de diagnóstico que pode ser usado sem treinamento veterinário. ‘

Fonte: © Jon Klasbu – Os pesquisadores estão trabalhando em um teste de bafômetro para Covid-19 

Compreendendo que os humanos têm fisiologia respiratória semelhante aos cavalos, Brejl e seus colegas investigaram a possibilidade de usar um teste semelhante para diagnósticos clínicos. O resultado deste estudo foi o Inflammacheck, um dispositivo portátil para coletar o condensado do ar expirado e medir as concentrações de peróxido de hidrogênio

Em humanos, é um biomarcador para o estresse oxidativo causado pela inflamação pulmonar que é encontrado em pacientes com doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) e asma grave. Curiosamente, o biomarcador inflamatório dominante em pacientes com asma leve é ​​outro – óxido nítrico exalado fracionado – e este, mais os testes de espirometria (pico de fluxo) que os pacientes com doença grave acham difícil de usar, costumam ser usados ​​para o diagnóstico. Com o Inflammacheck, os pacientes respiram normalmente no dispositivo por um ou dois minutos, gerar cerca de 20 µl de condensado que flui para uma câmara capilar ligada a um sensor com um revestimento à base de peroxidase de rábano. Quando o sensor é exposto à amostra, um processo enzimático ocorre gerando um sinal minúsculo, mas detectável no sensor; a intensidade do sinal indica a concentração de peróxido de hidrogênio. ‘Este ensaio é rápido e tem duas outras vantagens: é preciso o suficiente para ser usado com uma pequena quantidade de amostra e pode ser incorporado em um dispositivo portátil’, explica Brejl.

O Inflammacheck foi comercializado pela primeira vez em setembro de 2019, apenas seis meses antes da medicina respiratória – e muito mais – ser revogada pela pandemia Covid-19 e a maioria das clínicas de DPOC forçadas a ficar online ou fechadas. Brejl e sua equipe, no entanto, rapidamente desenvolveram um teste diagnóstico para infecção por Sars-Cov-2. “Os marcadores inflamatórios não são específicos o suficiente para diagnosticar uma infecção viral em particular, então tivemos que usar um tipo diferente de teste”, explica ele.

Como muitos de nós aprendemos às nossas custas, partículas de vírus ativas são transportadas pela respiração de um indivíduo infectado. Se esse indivíduo respirar no novo dispositivo CoronaCheck da Exhalation Technology, o condensado flui para um sensor onde as partículas de vírus estão ligadas. Estes podem então ser detectados por um biossensor específico Sars-Cov-2, gerando uma leitura eletroquímica em apenas 2–5 minutos, mais rápido do que os testes de fluxo lateral aprovados. Este dispositivo não invasivo está atualmente em testes clínicos no Portsmouth Hospitals NHS Trust. “O kit inclui um leitor multiuso e um conjunto de consumíveis descartáveis ​​para coleta de amostras, por isso é totalmente seguro”, explica Brejl. ‘Estamos investigando maneiras de reduzir a quantidade de plástico no conjunto descartável de 85g para cerca de 6g.’ Além disso, se o teste for aprovado,

As vacinas já nos prometem uma saída para essa pandemia. Uma vez que isso tenha passado, será que os novos ‘loucos anos 20’ desencadearão uma nova onda de motoristas imprudentes? Ou pandemias adicionais e, potencialmente, mais perigosas estão por vir? Qualquer que seja o futuro, os testes de bafômetro forenses e diagnósticos sem dúvida nos ajudarão a estarmos seguros e bem.

Clare Sansom é uma escritora científica que mora em Cambridge, no Reino Unido

Leia o artigo original no link abaixo:

https://www.chemistryworld.com/

 

 

 

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