Senzorul de nanoparticule poate face distincția între pneumonia virală și cea bacteriană

Folosind acest diagnostic, medicii ar putea evita prescrierea de antibiotice în cazurile în care acestea nu vor fi eficiente. Multe tipuri diferite de bacterii și viruși pot provoca pneumonie, dar nu există o modalitate ușoară de a determina care microbi cauzează boala unui anumit pacient. Această incertitudine face ca medicii să aleagă mai greu tratamente eficiente, deoarece antibioticele utilizate în mod obișnuit pentru a trata pneumonia bacteriană nu vor ajuta pacienții cu pneumonie virală. În plus, limitarea utilizării antibioticelor este un pas important către reducerea rezistenței la antibiotice. Cercetătorii MIT au proiectat acum un senzor care poate face distincția între infecțiile cu pneumonie virală și bacteriană, ceea ce speră că va ajuta medicii să aleagă tratamentul adecvat. „Provocarea este că există o mulțime de agenți patogeni diferiți care pot duce la diferite tipuri de pneumonie și, chiar și cu cele mai extinse și avansate teste, patogenul specific care provoacă boala cuiva nu poate fi identificat la aproximativ jumătate dintre pacienți. Și dacă tratezi o pneumonie virală cu antibiotice, atunci ai putea contribui la rezistența la antibiotice, ceea ce este o mare problemă, iar pacientul nu se va îmbunătăți”, spune

Sangeeta Bhatia, profesor de științe și tehnologie a sănătății John și Dorothy Wilson. și de Inginerie Electrică și Informatică la MIT și membru al Institutului Koch pentru Cercetare Integrativă a Cancerului și al Institutului de Inginerie Medicală și Știință. Într-un studiu pe șoareci, cercetătorii au arătat că senzorii lor ar putea distinge cu precizie pneumonia bacteriană și virală în decurs de două ore, folosind un simplu test de urină pentru a citi rezultatele. Bhatia este autorul principal al studiului, care apare săptămâna aceasta în Proceedings of the National Academy of Sciences. Melodi Anahtar ’16, PhD ’22 este autorul principal al lucrării.

Sursa foto: news.mit.edu

Un motiv pentru care a fost dificil să se facă distincția între pneumonia virală și cea bacteriană este că există atât de mulți microbi care pot provoca pneumonie, inclusiv bacteriile Streptococcus pneumoniae și Haemophilus influenzae și viruși precum gripa și virusul respirator sincițial (RSV). În proiectarea senzorului lor, echipa de cercetare a decis să se concentreze pe măsurarea răspunsului gazdei la infecție, mai degrabă decât să încerce să detecteze agentul patogen în sine. Infecțiile virale și bacteriene provoacă tipuri distincte de răspunsuri imune, care includ activarea enzimelor numite proteaze, care descompun proteinele. Echipa MIT a descoperit că tiparul de activitate al acelor enzime poate servi ca semnătură a infecției bacteriene sau virale. Genomul uman codifică mai mult de 500 de proteaze, iar multe dintre acestea sunt utilizate de celulele care răspund la infecții, inclusiv celulele T, neutrofilele și celulele natural killer (NK). O echipă condusă de Purvesh Khatri, profesor asociat de medicină și știința datelor biomedicale la Universitatea Stanford și unul dintre autorii lucrării, a colectat 33 de seturi de date disponibile public de gene care sunt exprimate în timpul infecțiilor respiratorii. Analizând aceste date, Khatri a reușit să identifice 39 de proteaze care par să răspundă diferit la diferite tipuri de infecții. Bhatia și studenții ei au folosit apoi aceste date pentru a crea 20 de senzori diferiți care pot interacționa cu acele proteaze. Senzorii constau din nanoparticule acoperite cu peptide care pot fi scindate de anumite proteaze. Fiecare peptidă este marcată cu o moleculă reporter care este eliberată atunci când peptidele sunt scindate de proteaze care sunt reglate în sus în infecție. Acei reporteri sunt în cele din urmă excretați prin urină. Urina poate fi apoi analizată cu spectrometrie de masă pentru a determina care proteaze sunt cele mai active în plămâni. Cercetătorii și-au testat senzorii pe cinci modele diferite de pneumonie de șoarece, cauzate de infecții cu Streptococcus pneumoniae, Klebsiella pneumoniae, Haemophilus influenzae, virusul gripal și virusul pneumoniei la șoareci. După ce au citit rezultatele testelor de urină, cercetătorii au folosit învățarea automată pentru a analiza datele. Folosind această abordare, ei au reușit să antreneze algoritmi care ar putea diferenția între pneumonie și controale sănătoase și, de asemenea, să distingă dacă o infecție a fost virală sau bacteriană, pe baza acelor 20 de senzori.

Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că senzorii lor ar putea distinge între cei cinci agenți patogeni pe care i-au testat, dar cu o precizie mai mică decât testul pentru a distinge între viruși și bacterii. O posibilitate pe care cercetătorii o pot urmări este dezvoltarea de algoritmi care nu numai că pot distinge infecțiile bacteriene de cele virale, ci și pot identifica clasa de microbi care provoacă o infecție bacteriană, ceea ce ar putea ajuta medicii să aleagă cel mai bun antibiotic pentru a combate acest tip de bacterii. Citirea pe bază de urină este, de asemenea, susceptibilă de a fi detectată în viitor cu o bandă de hârtie, similară unui test de sarcină, care ar permite diagnosticarea la punctul de îngrijire. În acest scop, cercetătorii au identificat un subset de cinci senzori care ar putea pune la îndemână testarea la domiciliu. Cu toate acestea, este nevoie de mai multă muncă pentru a determina dacă panoul redus ar funcționa la fel de bine la oameni, care au mai multă variabilitate genetică și clinică decât șoarecii.

În studiul lor, cercetătorii au identificat, de asemenea, unele modele de răspuns a gazdei la diferite tipuri de infecții. La șoarecii cu infecții bacteriene, proteazele secretate de neutrofile au fost observate mai bine, ceea ce era de așteptat deoarece neutrofilele tind să răspundă mai mult la infecțiile bacteriene decât la infecțiile virale. Infecțiile virale, pe de altă parte, au provocat activitate de protează din celulele T și celulele NK, care de obicei răspund mai mult la infecțiile virale. Unul dintre senzorii care a generat cel mai puternic semnal a fost legat de o protează numită granzima B, care declanșează moartea celulară programată. Cercetătorii au descoperit că acest senzor a fost foarte activat în plămânii șoarecilor cu infecții virale și că atât celulele NK, cât și celulele T au fost implicate în răspuns. Pentru a furniza senzorii la șoareci, cercetătorii i-au injectat direct în trahee, dar acum dezvoltă versiuni pentru uz uman care ar putea fi administrate fie folosind un nebulizator, fie un inhalator similar cu un inhalator pentru astm. De asemenea, lucrează la o modalitate de a detecta rezultatele utilizând un aparat etilotest în loc de un test de urină, care ar putea da rezultate și mai rapid. Cercetarea a fost finanțată, parțial, de Fundația Bill și Melinda Gates, Cercetare și Dezvoltare Janssen, Grantul de sprijin (de bază) al Institutului Koch de la Institutul Național al Cancerului și Institutul Național de Științe ale Sănătății Mediului. Sursa: news.mit.edu