Med hjälp av specialiserade nanopartiklar, MIT -ingenjörer har utvecklat ett sätt att övervaka lunginflammation eller andra lungsjukdomar genom att analysera andningen som andas ut av patienten.

I en studie av möss, forskarna visade att de kunde använda detta system för att övervaka bakteriell lunginflammation, liksom en genetisk störning i lungorna som kallas alfa-1 antitrypsinbrist.

"Vi föreställer oss att denna teknik gör att du kan andas in en sensor och sedan andas ut en flyktig gas på cirka 10 minuter som rapporterar om dina lungors status och om de läkemedel du tar fungerar, "säger Sangeeta Bhatia, John och Dorothy Wilson professor i hälsovetenskap och teknik och elektroteknik och datavetenskap vid MIT.

Fler säkerhetstester skulle behövas innan detta tillvägagångssätt kunde användas hos människor, men i musstudien, inga tecken på toxicitet i lungorna observerades.

Bhatia, som också är medlem i MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research och Institute for Medical Engineering and Science, är seniorförfattare till tidningen, som visas idag i Naturnanoteknik . Tidningens första författare är MIT senior postdoc Leslie Chan. Andra författare är MIT -doktoranden Melodi Anahtar, MIT Lincoln Laboratory teknisk medarbetare Ta-Hsuan Ong, MIT teknisk assistent Kelsey Hern, och Lincoln Laboratory associerade gruppledare Roderick Kunz.

Övervakning av andningen

För några år, Bhatias laboratorium har arbetat med nanopartikelsensorer som kan användas som 'syntetiska biomarkörer'. Dessa markörer är peptider som inte produceras naturligt av kroppen men frigörs från nanopartiklar när de stöter på proteiner som kallas proteaser.

Peptiderna som täcker nanopartiklarna kan anpassas så att de klyvs av olika proteaser som är kopplade till en mängd olika sjukdomar. Om en peptid klyvs från nanopartikeln av proteaser i patientens kropp, det utsöndras senare i urinen, där det kan upptäckas med en pappersremsa som liknar ett graviditetstest. Bhatia har utvecklat denna typ av urintest för lunginflammation, äggstockscancer, lungcancer, och andra sjukdomar.

På senare tid, hon vände uppmärksamheten på att utveckla biomarkörer som kunde upptäckas i andetaget snarare än urinen. Detta skulle göra det möjligt att få testresultat snabbare, och det undviker också den potentiella svårigheten att behöva ta ett urinprov från patienter som kan vara uttorkade, Säger Bhatia.

Hon och hennes team insåg att genom att kemiskt modifiera peptiderna fästa vid de syntetiska nanopartiklarna, de kan göra det möjligt för partiklarna att släppa ut gaser som kallas hydrofluoroaminer som kan andas ut i andningen. Forskarna fäster flyktiga molekyler till slutet av peptiderna på ett sådant sätt att när proteaser klyver peptiderna, de släpps ut i luften som en gas.

Arbetar med Kunz och Ong vid Lincoln Laboratory, Bhatia och hennes team utarbetade en metod för att detektera gasen från andetaget med hjälp av masspektrometri. Forskarna testade sedan sensorerna i musmodeller av två sjukdomar - bakteriell lunginflammation orsakad av Pseudomonas aeruginosa, och alfa-1-antitrypsinbrist. Under båda dessa sjukdomar, aktiverade immunceller producerar ett proteas som kallas neutrofilt elastas, som orsakar inflammation.

För båda dessa sjukdomar, forskarna visade att de kunde upptäcka neutrofilelastasaktivitet inom cirka 10 minuter. I dessa studier, forskarna använde nanopartiklar som injicerades intratrakealt, men de arbetar också med en version som kan inhaleras med en enhet som liknar inhalatorer som används för att behandla astma.

Smart upptäckt

Forskarna visade också att de kunde använda sina sensorer för att övervaka effektiviteten av läkemedelsbehandling för både lunginflammation och alfa-1 antitrypsinbrist. Bhatias laboratorium arbetar nu med att designa nya enheter för att upptäcka de utandade sensorerna som kan göra dem enklare att använda, möjligen till och med tillåta patienter att använda dem hemma.

"Just nu använder vi masspektrometri som en detektor, men i nästa generation har vi funderat på om vi kan göra en smart spegel, där du andas i spegeln, eller göra något som skulle fungera som en andningsapparat för bilar, "Säger Bhatia.

Hennes labb arbetar också med sensorer som kan upptäcka mer än en typ av proteas åt gången. Sådana sensorer kan utformas för att avslöja förekomsten av proteaser associerade med specifika patogener, inklusive kanske SARS-CoV-2-viruset.