Longontsteking, een luchtwegaandoening waaraan ongeveer 50 mensen overlijden, 000 mensen in de Verenigde Staten per jaar, kan worden veroorzaakt door veel verschillende microben, inclusief bacteriën en virussen. Snelle detectie van longontsteking is van cruciaal belang voor een effectieve behandeling, vooral in in het ziekenhuis opgelopen gevallen die vaak ernstiger zijn. Echter, de huidige diagnostische benaderingen hebben vaak enkele dagen nodig om definitieve resultaten te geven, waardoor het voor artsen moeilijker wordt om de juiste behandeling voor te schrijven.

MIT-onderzoekers hebben nu een op nanodeeltjes gebaseerde technologie ontwikkeld die kan worden gebruikt om de diagnosesnelheid te verbeteren. Dit type sensor zou ook kunnen worden gebruikt om te controleren of antibiotische therapie de infectie met succes heeft behandeld, zegt Sangeeta Bhatia, de John en Dorothy Wilson hoogleraar gezondheidswetenschappen en technologie en elektrotechniek en computerwetenschappen en de senior auteur van de studie.

"Als de symptomen van de patiënt verdwijnen, dan ga je ervan uit dat het medicijn werkt. Maar als de symptomen van de patiënt niet verdwijnen, dan zou je willen zien of de bacterie nog groeit. We probeerden dat probleem aan te pakken, " zegt Bhatia, die ook lid is van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research en Institute for Medical Engineering and Science.

Afgestudeerde student Colin Buss en recent Ph.D. ontvanger Jaideep Dudani zijn de hoofdauteurs van het artikel, die op 29 november online in het tijdschrift verschijnt EBioGeneeskunde . Reid Akana, een MIT-senior, en Heather Fleming, onderzoeksdirecteur voor het laboratorium van Bhatia, zijn ook auteurs van het artikel.

Sensoren in het lichaam

Een aantal jaar geleden, Bhatia en haar collega's ontwikkelden een diagnostische benadering die een signaal versterkt van biomarkers die al in het lichaam aanwezig zijn, met name, enzymen genaamd proteasen, die andere eiwitten fijnhakken. Het menselijk genoom codeert voor meer dan 500 verschillende proteasen, die elk op verschillende eiwitten zijn gericht.

Het team ontwikkelde nanodeeltjes gecoat met peptiden (korte eiwitten) die door bepaalde proteasen kunnen worden gehakt, zoals die tot expressie worden gebracht door kankercellen. Wanneer deze deeltjes in het lichaam worden geïnjecteerd, ze hopen zich op in tumoren, indien aanwezig, en proteasen hakken daar de peptiden van de nanodeeltjes. Deze peptiden worden als afvalstof geëlimineerd en kunnen worden gedetecteerd door een eenvoudige urinetest.

"We hebben aan dit idee gewerkt dat het meten van enzymactiviteit een nieuwe manier zou kunnen zijn om in het lichaam te kijken, ' zegt Bhatia.

In recente onderzoeken is ze heeft aangetoond dat deze aanpak kan worden gebruikt om verschillende soorten kanker op te sporen, waaronder zeer kleine ovariumtumoren, die een eerdere diagnose van eierstokkanker mogelijk zouden kunnen maken.

Voor hun nieuwe studie de onderzoekers wilden de mogelijkheid onderzoeken om infectie te diagnosticeren door proteasen te detecteren die door microben worden geproduceerd. Ze begonnen met een soort bacterie genaamd Pseudomonas aeruginosa , die longontsteking kan veroorzaken en een bijzonder veelvoorkomende oorzaak is van in het ziekenhuis opgelopen gevallen. Pseudomonas brengt een protease tot expressie genaamd LasA, daarom ontwierpen de onderzoekers nanodeeltjes met peptiden die door LasA kunnen worden gesplitst.

De onderzoekers ontwikkelden ook een tweede op nanodeeltjes gebaseerde sensor die de immuunrespons van de gastheer op infectie kan volgen. Deze nanodeeltjes zijn bedekt met peptiden die worden gesplitst door een type protease genaamd elastase, die wordt geproduceerd door immuuncellen die neutrofielen worden genoemd.

Bij sommige patiënten met longontsteking zelfs als een antibioticum de bacteriën verwijdert die de infectie veroorzaken, een thoraxfoto kan nog steeds een ontsteking vertonen omdat neutrofielen nog steeds actief zijn. Door deze twee sensoren samen te gebruiken, kan blijken of een antibioticum de infectie heeft verholpen, in gevallen waarin een thoraxfoto na de behandeling nog steeds een ontsteking vertoont.

"De sensoren kunnen je helpen onderscheid te maken tussen een infectie en een ontsteking, versus ontsteking en geen infectie, " zegt Bhatia. "Wat we in de krant lieten zien, is dat wanneer je met het juiste antibioticum behandelt, de infectie gaat naar beneden, maar de ontsteking houdt aan."

De onderzoekers toonden ook aan dat als ze muizen behandelden met een ineffectief antibioticum, zowel het bacterieniveau als het ontstekingsniveau bleven hoog. Zo'n test kan helpen om te ontdekken of een antibioticum werkt, in gevallen waarin de symptomen van een patiënt niet binnen een paar dagen zijn verbeterd.

Diagnose van veel infecties

Voor deze studie is de onderzoekers leverden de nanodeeltjes intraveneus af, maar ze werken nu aan een poederversie die kan worden ingeademd.

Bhatia voorziet dat deze benadering kan worden gebruikt om te bepalen of een patiënt bacteriële of virale longontsteking heeft, die artsen zouden helpen om te beslissen of de patiënt antibiotica moet krijgen of niet. De definitieve toets, het kweken van een bacteriecultuur van opgehoest slijm, duurt enkele dagen, dus baseren artsen hun beslissingen op de symptomen van de patiënt en röntgenbeeldvorming - een proces dat misschien niet altijd nauwkeurig is.

Om een ​​uitgebreidere diagnose te maken, Bhatia's lab werkt nu aan het toevoegen van peptiden die kunnen interageren met proteasen van andere soorten bacteriën die longontsteking veroorzaken, evenals proteasen die het immuunsysteem van de gastheer produceert als reactie op een virale of bacteriële infectie. De onderzoekers werken ook aan sensoren die gemakkelijk onderscheid kunnen maken tussen actieve en slapende vormen van tuberculose.

Bhatia en anderen hebben een bedrijf opgericht met de naam Glympse Bio dat een licentie heeft voor de proteasedetectietechnologie en werkt nu aan de ontwikkeling van proteasesensoren voor mogelijk gebruik bij mensen. Volgend jaar, ze zijn van plan om een ​​fase I klinische proef te starten van een sensor die leverfibrose kan detecteren, een ophoping van littekenweefsel dat kan leiden tot cirrose.