Met behulp van gespecialiseerde nanodeeltjes, MIT-ingenieurs hebben een manier ontwikkeld om longontsteking of andere longziekten te monitoren door de uitgeademde adem van de patiënt te analyseren.

In een studie van muizen, de onderzoekers toonden aan dat ze dit systeem konden gebruiken om bacteriële longontsteking te monitoren, evenals een genetische aandoening van de longen die alfa-1-antitrypsinedeficiëntie wordt genoemd.

"We stellen ons voor dat je met deze technologie een sensor kunt inademen en vervolgens in ongeveer 10 minuten een vluchtig gas kunt uitademen dat rapporteert over de status van je longen en of de medicijnen die je gebruikt werken, " zegt Sangeeta Bhatia, de John en Dorothy Wilson hoogleraar gezondheidswetenschappen en technologie en elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT.

Er zouden meer veiligheidstests nodig zijn voordat deze benadering bij mensen zou kunnen worden gebruikt, maar in de muisstudie, er werden geen tekenen van toxiciteit in de longen waargenomen.

Bhatia, die ook lid is van MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research en het Institute for Medical Engineering and Science, is de senior auteur van het artikel, die vandaag verschijnt in Natuur Nanotechnologie . De eerste auteur van het artikel is MIT senior postdoc Leslie Chan. Andere auteurs zijn MIT-afgestudeerde student Melodi Anahtar, MIT Lincoln Laboratory technisch medewerker Ta-Hsuan Ong, MIT technisch assistent Kelsey Hern, en Lincoln Laboratory associate groepsleider Roderick Kunz.

Bewaken van de adem

Voor meerdere jaren, Het laboratorium van Bhatia heeft gewerkt aan sensoren voor nanodeeltjes die kunnen worden gebruikt als 'synthetische biomarkers'. Deze markers zijn peptiden die niet van nature door het lichaam worden aangemaakt, maar die vrijkomen uit nanodeeltjes wanneer ze eiwitten tegenkomen die proteasen worden genoemd.

De peptiden die de nanodeeltjes bekleden, kunnen worden aangepast zodat ze worden gesplitst door verschillende proteasen die zijn gekoppeld aan een verscheidenheid aan ziekten. Als een peptide van het nanodeeltje wordt gesplitst door proteasen in het lichaam van de patiënt, het wordt later uitgescheiden in de urine, waar het kan worden gedetecteerd met een strook papier, vergelijkbaar met een zwangerschapstest. Bhatia heeft dit type urinetest ontwikkeld voor longontsteking, eierstokkanker, longkanker, en andere ziekten.

Recenter, ze richtte haar aandacht op het ontwikkelen van biomarkers die eerder in de adem dan in de urine konden worden gedetecteerd. Hierdoor kunnen testresultaten sneller worden verkregen, en het vermijdt ook de potentiële moeilijkheid om een ​​urinemonster te moeten nemen van patiënten die mogelijk uitgedroogd zijn, zegt Bhatia.

Zij en haar team realiseerden zich dat door de peptiden die aan de synthetische nanodeeltjes zijn gehecht chemisch te wijzigen, ze kunnen de deeltjes in staat stellen gassen vrij te geven die hydrofluoraminen worden genoemd en die in de adem kunnen worden uitgeademd. De onderzoekers hechtten vluchtige moleculen aan het uiteinde van de peptiden op zo'n manier dat wanneer proteasen de peptiden splitsen, ze komen als gas in de lucht terecht.

Werken met Kunz en Ong bij Lincoln Laboratory, Bhatia en haar team bedachten een methode om het gas uit de adem te detecteren met behulp van massaspectrometrie. De onderzoekers testten vervolgens de sensoren in muismodellen van twee ziekten:bacteriële longontsteking veroorzaakt door Pseudomonas aeruginosa, en alfa-1-antitrypsinedeficiëntie. Tijdens beide ziekten, geactiveerde immuuncellen produceren een protease genaamd neutrofiel elastase, wat een ontsteking veroorzaakt.

Voor beide ziekten de onderzoekers toonden aan dat ze neutrofiel-elastase-activiteit binnen ongeveer 10 minuten konden detecteren. In deze onderzoeken de onderzoekers gebruikten nanodeeltjes die intratracheaal werden geïnjecteerd, maar ze werken ook aan een versie die kan worden ingeademd met een apparaat dat lijkt op de inhalatoren die worden gebruikt om astma te behandelen.

Slimme detectie

De onderzoekers toonden ook aan dat ze hun sensoren konden gebruiken om de effectiviteit van medicamenteuze behandeling voor zowel longontsteking als alfa-1-antitrypsinedeficiëntie te controleren. Bhatia's lab werkt nu aan het ontwerpen van nieuwe apparaten voor het detecteren van de uitgeademde sensoren, waardoor ze gemakkelijker te gebruiken zijn. mogelijk zelfs waardoor patiënten ze thuis kunnen gebruiken.

"Op dit moment gebruiken we massaspectrometrie als detector, maar in de volgende generatie hebben we nagedacht of we een slimme spiegel kunnen maken, waar je ademt op de spiegel, of iets maken dat zou werken als een auto-ademtester, ' zegt Bhatia.

Haar lab werkt ook aan sensoren die meer dan één type protease tegelijk kunnen detecteren. Dergelijke sensoren kunnen worden ontworpen om de aanwezigheid van proteasen geassocieerd met specifieke pathogenen te onthullen, waaronder misschien het SARS-CoV-2-virus.