Lunginflammation, en andningssjukdom som dödar cirka 50, 000 människor i USA varje år, kan orsakas av många olika mikrober, inklusive bakterier och virus. Snabb upptäckt av lunginflammation är avgörande för effektiv behandling, särskilt i sjukhusförvärvade fall som ofta är allvarligare. Dock, nuvarande diagnostiska metoder tar ofta flera dagar att återge slutgiltiga resultat, vilket gör det svårare för läkare att ordinera rätt behandling.

MIT-forskare har nu utvecklat en nanopartikelbaserad teknik som kan användas för att förbättra diagnoshastigheten. Denna typ av sensor kan också användas för att övervaka om antibiotikabehandling framgångsrikt har behandlat infektionen, säger Sangeeta Bhatia, John och Dorothy Wilson professor i hälsovetenskap och teknik och elektroteknik och datavetenskap och seniorförfattaren till studien.

"Om patientens symptom försvinner, då antar du att läkemedlet fungerar. Men om patientens symptom inte försvinner, då skulle du vilja se om bakterierna fortfarande växer. Vi försökte ta itu med den frågan, säger Bhatia, som också är medlem i MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Institute for Medical Engineering and Science.

Doktorand Colin Buss och nyligen doktorand. mottagaren Jaideep Dudani är huvudförfattare till tidningen, som visas online den 29 november i tidningen EBioMedicine . Reid Akana, en MIT senior, och Heather Fleming, forskningsdirektör för Bhatias laboratorium, är också författare till tidningen.

Sensorer i kroppen

Många år sedan, Bhatia och hennes kollegor utvecklade ett diagnostiskt tillvägagångssätt som förstärker en signal från biomarkörer som redan finns i kroppen - specifikt, enzymer som kallas proteaser, som hugger upp andra proteiner. Det mänskliga genomet kodar för mer än 500 olika proteaser, var och en riktar sig till olika proteiner.

Teamet utvecklade nanopartiklar belagda med peptider (korta proteiner) som kan hackas upp av vissa proteaser, såsom de som uttrycks av cancerceller. När dessa partiklar injiceras i kroppen, de ackumuleras i tumörer, om det finns några, och proteaser hackar peptiderna från nanopartiklarna. Dessa peptider elimineras som avfall och kan detekteras genom ett enkelt urintest.

"Vi har arbetat med den här tanken att mätning av enzymaktivitet kan vara ett nytt sätt att titta in i kroppen, "Säger Bhatia.

I de senaste studierna har hon har visat att detta tillvägagångssätt kan användas för att upptäcka olika typer av cancer, inklusive mycket små äggstockstumörer, vilket kan möjliggöra tidigare diagnos av äggstockscancer.

För deras nya studie, forskarna ville undersöka möjligheten att diagnostisera infektion genom att upptäcka proteaser som produceras av mikrober. De började med en bakteriesort som heter Pseudomonas aeruginosa , som kan orsaka lunginflammation och är en särskilt vanlig orsak till sjukhusförvärvade fall. Pseudomonas uttrycker ett proteas som kallas LasA, så forskarna designade nanopartiklar med peptider som kan klyvas av LasA.

Forskarna utvecklade också en andra nanopartikelbaserad sensor som kan övervaka värdens immunsvar mot infektion. Dessa nanopartiklar är täckta av peptider som klyvs av en typ av proteas som kallas elastas, som produceras av immunceller som kallas neutrofiler.

Hos vissa patienter med lunginflammation, även om ett antibiotikum rensar ut bakterierna som orsakar infektionen, en bröströntgen kan fortfarande visa inflammation eftersom neutrofiler fortfarande är aktiva. Att använda dessa två sensorer tillsammans kan avslöja om ett antibiotikum har rensat infektionen, i fall där en bröströntgen fortfarande visar inflammation efter behandlingen.

"Sensorerna kan hjälpa dig att skilja mellan om det finns en infektion och inflammation, kontra inflammation och ingen infektion, "Bhatia säger." Det vi visade i tidningen är att när du behandlar med rätt antibiotikum, infektionen går ner men inflammationen kvarstår. "

Forskarna visade också att om de behandlade möss med ett ineffektivt antibiotikum, både bakterienivåer och inflammationsnivåer hölls höga. Denna typ av test kan hjälpa till att avslöja om ett antibiotikum fungerar, i fall där patientens symtom inte har förbättrats inom några dagar.

Diagnostiserar många infektioner

För denna studie, forskarna levererade nanopartiklarna intravenöst, men de arbetar nu med en pulveriserad version som kan andas in.

Bhatia föreställer sig att detta tillvägagångssätt skulle kunna användas för att avgöra om en patient har bakteriell eller viral lunginflammation, vilket skulle hjälpa läkare att avgöra om patienten ska få antibiotika eller inte. Det slutgiltiga testet, växer en bakteriekultur från hostat slem, tar flera dagar, så läkare baserar sina beslut på patienternas symptom och röntgenbildning-en process som kanske inte alltid är korrekt.

För att skapa en mer omfattande diagnostik, Bhatias laboratorium arbetar nu med att lägga till peptider som kan interagera med proteaser från andra typer av bakterier som orsakar lunginflammation, samt proteaser som värdimmunsystemet producerar som svar på antingen virus- eller bakterieinfektion. Forskarna arbetar också med sensorer som lätt kan skilja mellan aktiva och vilande former av tuberkulos.

Bhatia och andra har startat ett företag som heter Glympse Bio som har licensierat proteasavkänningstekniken och arbetar nu med att utveckla proteassensorer för möjlig användning hos människor. Nästa år, de planerar att börja en fas I klinisk prövning av en sensor som kan upptäcka leverfibros, en ansamling av ärrvävnad som kan leda till cirros.