Med disse nanopartikler, en simpel urintest kunne diagnosticere bakteriel lungebetændelse

Lungebetændelse, en luftvejssygdom, der dræber omkring 50, 000 mennesker i USA hvert år, kan være forårsaget af mange forskellige mikrober, herunder bakterier og vira. Hurtig påvisning af lungebetændelse er afgørende for effektiv behandling, især i hospitalserhvervede tilfælde, som ofte er mere alvorlige. Imidlertid, nuværende diagnostiske tilgange tager ofte flere dage at returnere endelige resultater, gør det sværere for læger at ordinere den rigtige behandling.

MIT-forskere har nu udviklet en nanopartikelbaseret teknologi, der kan bruges til at forbedre diagnosehastigheden. Denne type sensor kan også bruges til at overvåge, om antibiotikabehandling med succes har behandlet infektionen, siger Sangeeta Bhatia, John og Dorothy Wilson professor i sundhedsvidenskab og teknologi og elektroteknik og datalogi og seniorforfatteren af ​​undersøgelsen.

"Hvis patientens symptomer forsvinder, så går du ud fra, at stoffet virker. Men hvis patientens symptomer ikke forsvinder, så vil du gerne se, om bakterierne stadig vokser. Vi prøvede at løse det problem, " siger Bhatia, som også er medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og Institute for Medical Engineering and Science.

Kandidatstuderende Colin Buss og nyligt ph.d. modtageren Jaideep Dudani er hovedforfatterne af papiret, som vises online 29. november i tidsskriftet EBioMedicine . Reid Akana, en MIT senior, og Heather Fleming, forskningsdirektør for Bhatias laboratorium, er også forfattere til papiret.

Sensorer i kroppen

For flere år siden, Bhatia og hendes kolleger udviklede en diagnostisk tilgang, der forstærker et signal fra biomarkører, der allerede findes i kroppen - specifikt, enzymer kaldet proteaser, som hugger andre proteiner op. Det menneskelige genom koder for mere end 500 forskellige proteaser, som hver især er rettet mod forskellige proteiner.

Holdet udviklede nanopartikler belagt med peptider (korte proteiner), der kan hakkes op af visse proteaser, såsom dem udtrykt af kræftceller. Når disse partikler sprøjtes ind i kroppen, de akkumuleres i tumorer, hvis nogen er til stede, og proteaser der hakker peptiderne fra nanopartiklerne. Disse peptider elimineres som affald og kan påvises ved en simpel urintest.

"Vi har arbejdet på denne idé om, at måling af enzymaktivitet kunne være en ny måde at kigge ind i kroppen på, " siger Bhatia.

I nyere undersøgelser, hun har vist, at denne tilgang kan bruges til at opdage forskellige typer kræft, inklusive meget små ovarietumorer, som kunne muliggøre tidligere diagnosticering af kræft i æggestokkene.

Til deres nye undersøgelse, forskerne ønskede at undersøge muligheden for at diagnosticere infektion ved at påvise proteaser, der produceres af mikrober. De begyndte med en slags bakterier kaldet Pseudomonas aeruginosa , som kan forårsage lungebetændelse og er en særlig almindelig årsag til hospitalserhvervede tilfælde. Pseudomonas udtrykker en protease kaldet LasA, så forskerne designede nanopartikler med peptider, der kan spaltes af LasA.

Forskerne udviklede også en anden nanopartikelbaseret sensor, der kan overvåge værtens immunrespons på infektion. Disse nanopartikler er dækket af peptider, der spaltes af en type protease kaldet elastase, som produceres af immunceller kaldet neutrofiler.

Hos nogle patienter med lungebetændelse, selvom et antibiotikum fjerner de bakterier, der forårsager infektionen, et røntgenbillede af thorax kan stadig vise betændelse, fordi neutrofiler stadig er aktive. Brug af disse to sensorer sammen kan afsløre, om et antibiotikum har ryddet infektionen, i tilfælde, hvor røntgen af ​​thorax stadig viser betændelse efter behandling.

"Sensorerne kan hjælpe dig med at skelne mellem, om der er en infektion og betændelse, versus betændelse og ingen infektion, " siger Bhatia. "Det, vi viste i avisen, er, at når du behandler med det rigtige antibiotikum, infektionen går ned, men betændelsen fortsætter."

Forskerne viste også, at hvis de behandlede mus med et ineffektivt antibiotikum, både bakterieniveauer og inflammationsniveauer forblev høje. Denne form for test kan hjælpe med at afsløre, om et antibiotikum virker, i tilfælde, hvor en patients symptomer ikke er blevet bedre inden for få dage.

Diagnosticering af mange infektioner

Til denne undersøgelse, forskerne leverede nanopartiklerne intravenøst, men de arbejder nu på en pulveriseret version, der kunne inhaleres.

Bhatia forestiller sig, at denne tilgang kan bruges til at afgøre, om en patient har bakteriel eller viral lungebetændelse, hvilket ville hjælpe læger med at beslutte, om patienten skulle få antibiotika eller ej. Den endelige test, vokser en bakteriekultur fra hostet slim, tager flere dage, så lægerne baserer deres beslutninger på patienternes symptomer og røntgenbilleder – en proces, der måske ikke altid er nøjagtig.

For at skabe en mere omfattende diagnostik, Bhatias laboratorium arbejder nu på at tilføje peptider, der kunne interagere med proteaser fra andre typer bakterier, der forårsager lungebetændelse, samt proteaser, som værtens immunsystem producerer som reaktion på enten viral eller bakteriel infektion. Forskerne arbejder også på sensorer, der let kunne skelne mellem aktive og sovende former for tuberkulose.

Bhatia og andre har startet et firma kaldet Glympse Bio, der har licenseret protease-sensorteknologien og arbejder nu på at udvikle proteasesensorer til mulig brug hos mennesker. Næste år, de planlægger at påbegynde et fase I klinisk forsøg med en sensor, der kan detektere leverfibrose, en ophobning af arvæv, der kan føre til skrumpelever.