Nanopartikelsensor kan skelne mellem viral og bakteriel lungebetændelse

Mange forskellige typer bakterier og vira kan forårsage lungebetændelse, men der er ingen nem måde at afgøre, hvilken mikrobe der forårsager en bestemt patients sygdom. Denne usikkerhed gør det sværere for læger at vælge effektive behandlinger, fordi de antibiotika, der almindeligvis bruges til at behandle bakteriel lungebetændelse, ikke hjælper patienter med viral lungebetændelse. Derudover er begrænsning af brugen af ​​antibiotika et vigtigt skridt i retning af at bremse antibiotikaresistens.

MIT-forskere har nu designet en sensor, der kan skelne mellem virale og bakterielle lungebetændelsesinfektioner, som de håber vil hjælpe lægerne med at vælge den passende behandling.

"Udfordringen er, at der er en masse forskellige patogener, der kan føre til forskellige former for lungebetændelse, og selv med den mest omfattende og avancerede testning kan det specifikke patogen, der forårsager en persons sygdom, ikke identificeres hos omkring halvdelen af ​​patienterne. Og hvis behandler man en viral lungebetændelse med antibiotika, så kan man bidrage til antibiotikaresistens, hvilket er et stort problem, og patienten får det ikke bedre, siger Sangeeta Bhatia, John og Dorothy Wilsons professor i sundhedsvidenskab og teknologi. Elektroteknik og datalogi ved MIT og medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og Institute for Medical Engineering and Science.

I en undersøgelse af mus viste forskerne, at deres sensorer nøjagtigt kunne skelne bakteriel og viral lungebetændelse inden for to timer ved at bruge en simpel urintest til at aflæse resultaterne.

Bhatia er seniorforfatter til undersøgelsen, som vises i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences . Melodi Anahtar '16, Ph.D. '22 er avisens hovedforfatter.

Signaturer for infektion

En grund til, at det har været svært at skelne mellem viral og bakteriel lungebetændelse, er, at der er så mange mikrober, der kan forårsage lungebetændelse, herunder bakterierne Streptococcus pneumoniae og Haemophilus influenzae og vira såsom influenza og respiratorisk syncytialvirus (RSV).

Ved at designe deres sensor besluttede forskerholdet at fokusere på at måle værtens respons på infektion i stedet for at forsøge at opdage selve patogenet. Virale og bakterielle infektioner fremkalder karakteristiske typer af immunresponser, som omfatter aktivering af enzymer kaldet proteaser, som nedbryder proteiner. MIT-holdet fandt ud af, at aktivitetsmønsteret for disse enzymer kan tjene som en signatur på bakteriel eller viral infektion.

Det menneskelige genom koder for mere end 500 proteaser, og mange af disse bruges af celler, der reagerer på infektion, herunder T-celler, neutrofiler og naturlige dræberceller (NK). Et hold ledet af Purvesh Khatri, en lektor i medicin og biomedicinsk datavidenskab ved Stanford University og en af ​​forfatterne til papiret, indsamlede 33 offentligt tilgængelige datasæt af gener, der udtrykkes under luftvejsinfektioner. Ved at analysere disse data var Khatri i stand til at identificere 39 proteaser, der ser ud til at reagere forskelligt på forskellige typer infektion.

Bhatia og hendes elever brugte derefter disse data til at skabe 20 forskellige sensorer, der kan interagere med disse proteaser. Sensorerne består af nanopartikler belagt med peptider, der kan spaltes af bestemte proteaser. Hvert peptid er mærket med et reportermolekyle, der frigøres, når peptiderne spaltes af proteaser, der opreguleres i infektion. Disse journalister udskilles til sidst i urinen. Urinen kan derefter analyseres med massespektrometri for at bestemme, hvilke proteaser der er mest aktive i lungerne.

Forskerne testede deres sensorer i fem forskellige musemodeller af lungebetændelse, forårsaget af infektioner af Streptococcus pneumoniae , Klebsiella pneumoniae , Haemophilus influenzae , influenzavirus og lungebetændelsesvirus hos mus.

Efter at have læst resultaterne fra urintestene brugte forskerne maskinlæring til at analysere dataene. Ved at bruge denne tilgang var de i stand til at træne algoritmer, der kunne skelne mellem lungebetændelse versus sunde kontroller, og også skelne, om en infektion var viral eller bakteriel, baseret på disse 20 sensorer.

Forskerne fandt også ud af, at deres sensorer kunne skelne mellem de fem patogener, de testede, men med lavere nøjagtighed end testen for at skelne mellem vira og bakterier. En mulighed, som forskerne kan forfølge, er at udvikle algoritmer, der ikke kun kan skelne bakterielle fra virusinfektioner, men også identificere klassen af ​​mikrober, der forårsager en bakteriel infektion, hvilket kan hjælpe læger med at vælge det bedste antibiotikum til at bekæmpe den type bakterier.

Den urin-baserede udlæsning er også modtagelig for fremtidig påvisning med en papirstrimmel, svarende til en graviditetstest, som ville give mulighed for point-of-care diagnose. Til dette formål identificerede forskerne en undergruppe af fem sensorer, der kunne bringe hjemmetest tættere på. Der kræves dog mere arbejde for at afgøre, om det reducerede panel ville fungere tilsvarende godt hos mennesker, som har mere genetisk og klinisk variabilitet end mus.

Reaktionsmønstre

I deres undersøgelse identificerede forskerne også nogle mønstre for værtsrespons på forskellige typer infektion. Hos mus med bakterielle infektioner sås proteaser udskilt af neutrofiler mere fremtrædende, hvilket var forventet, fordi neutrofiler har tendens til at reagere mere på bakterielle infektioner end virusinfektioner.

Virale infektioner på den anden side fremkaldte proteaseaktivitet fra T-celler og NK-celler, som normalt reagerer mere på virusinfektioner. En af de sensorer, der genererede det stærkeste signal, var forbundet med en protease kaldet granzyme B, som udløser programmeret celledød. Forskerne fandt ud af, at denne sensor var stærkt aktiveret i lungerne på mus med virusinfektioner, og at både NK- og T-celler var involveret i responsen.

For at levere sensorerne i mus sprøjtede forskerne dem direkte ind i luftrøret, men de udvikler nu versioner til menneskelig brug, der kan administreres ved hjælp af enten en forstøver eller en inhalator, der ligner en astmainhalator. De arbejder også på en måde at opdage resultaterne ved hjælp af en alkometer i stedet for en urinprøve, som kan give resultater endnu hurtigere. + Udforsk yderligere

Med disse nanopartikler kan en simpel urintest diagnosticere bakteriel lungebetændelse