Udåndede biomarkører kan afsløre lungesygdom

Ved hjælp af specialiserede nanopartikler, MIT-ingeniører har udviklet en måde at overvåge lungebetændelse eller andre lungesygdomme ved at analysere åndedrættet, som patienten udånder.

I en undersøgelse af mus, forskerne viste, at de kunne bruge dette system til at overvåge bakteriel lungebetændelse, samt en genetisk lidelse i lungerne kaldet alfa-1 antitrypsin mangel.

"Vi forestiller os, at denne teknologi vil give dig mulighed for at inhalere en sensor og derefter udånde en flygtig gas på omkring 10 minutter, der rapporterer om status for dine lunger, og om den medicin, du tager, virker, " siger Sangeeta Bhatia, John og Dorothy Wilson professor i sundhedsvidenskab og teknologi og elektroteknik og datalogi ved MIT.

Der ville være behov for flere sikkerhedstests, før denne tilgang kunne bruges på mennesker, men i musestudiet, ingen tegn på toksicitet i lungerne blev observeret.

Bhatia, som også er medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research og Institute for Medical Engineering and Science, er avisens seniorforfatter, som vises i dag i Natur nanoteknologi . Den første forfatter af papiret er MIT senior postdoc Leslie Chan. Andre forfattere er MIT kandidatstuderende Melodi Anahtar, MIT Lincoln Laboratory teknisk medarbejder Ta-Hsuan Ong, MIT teknisk assistent Kelsey Hern, og Lincoln Laboratory associeret gruppeleder Roderick Kunz.

Overvågning af åndedrættet

For flere år, Bhatias laboratorium har arbejdet på nanopartikelsensorer, der kan bruges som 'syntetiske biomarkører.' Disse markører er peptider, der ikke produceres naturligt af kroppen, men som frigives fra nanopartikler, når de støder på proteiner kaldet proteaser.

Peptiderne, der overtrækker nanopartiklerne, kan tilpasses, så de spaltes af forskellige proteaser, der er forbundet med en række forskellige sygdomme. Hvis et peptid spaltes fra nanopartiklerne af proteaser i patientens krop, det udskilles senere i urinen, hvor det kan påvises med en papirstrimmel, der ligner en graviditetstest. Bhatia har udviklet denne type urintest for lungebetændelse, livmoderhalskræft, lungekræft, og andre sygdomme.

For nylig, hun rettede sin opmærksomhed mod at udvikle biomarkører, der kunne detekteres i åndedrættet i stedet for i urinen. Dette vil gøre det muligt at opnå testresultater hurtigere, og det undgår også de potentielle vanskeligheder med at skulle tage en urinprøve fra patienter, der kan være dehydrerede, siger Bhatia.

Hun og hendes team indså, at ved kemisk at modificere peptiderne knyttet til de syntetiske nanopartikler, de kunne gøre det muligt for partiklerne at frigive gasser kaldet hydrofluoraminer, som kunne udåndes i åndedrættet. Forskerne fastgjorde flygtige molekyler til enden af ​​peptiderne på en sådan måde, at når proteaser spalter peptiderne, de frigives til luften som en gas.

Arbejder med Kunz og Ong på Lincoln Laboratory, Bhatia og hendes team udtænkte en metode til at detektere gassen fra åndedrættet ved hjælp af massespektrometri. Forskerne testede derefter sensorerne i musemodeller af to sygdomme - bakteriel lungebetændelse forårsaget af Pseudomonas aeruginosa, og alfa-1-antitrypsin-mangel. Under begge disse sygdomme, aktiverede immunceller producerer en protease kaldet neutrofil elastase, som forårsager betændelse.

For begge disse sygdomme, forskerne viste, at de kunne detektere neutrofil elastaseaktivitet inden for omkring 10 minutter. I disse undersøgelser, forskerne brugte nanopartikler, der blev injiceret intratrachealt, men de arbejder også på en version, der kunne inhaleres med en anordning, der ligner de inhalatorer, der bruges til at behandle astma.

Smart detektion

Forskerne viste også, at de kunne bruge deres sensorer til at overvåge effektiviteten af ​​lægemiddelbehandling for både lungebetændelse og alfa-1 antitrypsin-mangel. Bhatias laboratorium arbejder nu på at designe nye enheder til at detektere de udåndede sensorer, der kan gøre dem nemmere at bruge, potentielt endda tillade patienter at bruge dem derhjemme.

"Lige nu bruger vi massespektrometri som en detektor, men i den næste generation har vi tænkt på, om vi kan lave et smart spejl, hvor du trækker vejret i spejlet, eller lav noget, der fungerer som en alkometer, " siger Bhatia.

Hendes laboratorium arbejder også på sensorer, der kunne detektere mere end én type protease ad gangen. Sådanne sensorer kunne designes til at afsløre tilstedeværelsen af ​​proteaser forbundet med specifikke patogener, herunder måske SARS-CoV-2 virus.