Пневмония, респираторное заболевание, от которого ежегодно умирает около 50 000 человек в Соединенных Штатах, может быть вызвана множеством различных микробов, включая бактерии и вирусы. Быстрое обнаружение пневмонии имеет решающее значение для эффективного лечения, особенно в случаях, приобретенных в стационаре, которые часто являются более серьезными. Однако современные диагностические подходы часто требуют нескольких дней для получения окончательных результатов, что затрудняет назначение врачами правильного лечения.

Сильный иммунный ответ можно увидеть на этом иммунофлуоресцентном изображении легочной ткани, инфицированной пневмонией, где иммунные клетки окрашены в зеленый и красный цвет. Фото: Колин Бусс

Исследователи Массачусетского технологического института в настоящее время разработали технологию на основе наночастиц, которая может быть использована для повышения скорости диагностики. Этот тип датчика может также использоваться для мониторинга того, успешно ли антибиотикотерапия вылечила инфекцию, говорит Сангита Бхатия, профессор наук о здоровье, технологии и электротехники и компьютерных наук Джона и Дороти Уилсон и старший автор исследования.

«Если симптомы пациента исчезают, то вы предполагаете, что лекарство работает. Но если симптомы пациента не исчезают, вам следует посмотреть, продолжают ли бактерии расти. Мы пытались решить эту проблему», — говорит он. Бхатия, который также является членом Института интеграционных исследований рака им. М.И. Коха и Института медицинской инженерии и науки.

Аспирант Колин Бусс и недавний доктор философии Получатель Jaideep Dudani являются ведущими авторами статьи, которая появится в сети 29 ноября в журнале EBioMedicine . Рейд Акана, старший из Массачусетского технологического института, и Хизер Флеминг, директор по исследованиям лаборатории Бхатии, также являются авторами статьи.

Датчики в теле

Несколько лет назад Бхатия и ее коллеги разработали диагностический подход, который усиливает сигнал от биомаркеров, уже присутствующих в организме, в частности, от ферментов, называемых протеазами, которые расщепляют другие белки. Геном человека кодирует более 500 различных протеаз, каждая из которых нацелена на разные белки.

Команда разработала наночастицы, покрытые пептидами (короткими белками), которые могут быть измельчены определенными протеазами, такими как экспрессируемые раковыми клетками. Когда эти частицы вводятся в организм, они накапливаются в опухолях, если они есть, и протеазы там отщепляют пептиды от наночастиц. Эти пептиды удаляются как отходы и могут быть обнаружены с помощью простого анализа мочи.

«Мы работали над этой идеей, что измерение активности ферментов может стать новым способом вглядеться в организм», — говорит Бхатия.

В недавних исследованиях она показала, что этот подход может быть использован для выявления различных типов рака, в том числе очень маленьких опухолей яичников, которые могут позволить более раннюю диагностику рака яичников.

В своем новом исследовании исследователи хотели изучить возможность диагностики инфекции путем выявления протеаз, продуцируемых микробами. Они начали с вида бактерий, называемых Pseudomonas aeruginosa , которые могут вызывать пневмонию и являются особенно частой причиной приобретенных в больнице случаев. Pseudomonas экспрессирует протеазу под названием LasA, поэтому исследователи разработали наночастицы с пептидами, которые могут расщепляться LasA.

Исследователи также разработали второй датчик на основе наночастиц, который может контролировать иммунный ответ хозяина на инфекцию. Эти наночастицы покрыты пептидами, которые расщепляются протеазой, называемой эластазой, которая продуцируется иммунными клетками, называемыми нейтрофилами.

У некоторых пациентов с пневмонией, даже если антибиотик убирает бактерии, вызывающие инфекцию, рентгенография грудной клетки может по-прежнему демонстрировать воспаление, поскольку нейтрофилы все еще активны. Совместное использование этих двух датчиков может выявить, вылечил ли антибиотик инфекцию, в тех случаях, когда рентгенография грудной клетки все еще показывает воспаление после лечения.

«Датчики могут помочь вам отличить наличие инфекции и воспаления от воспаления и отсутствия инфекции», — говорит Бхатия. «То, что мы показали в статье, это то, что когда вы лечите подходящим антибиотиком, инфекция снижается, но воспаление сохраняется».

Исследователи также показали, что если они лечили мышей неэффективным антибиотиком, уровни бактерий и воспаления оставались высокими. Этот вид теста может помочь выявить, работает ли антибиотик, в тех случаях, когда симптомы пациента не улучшились в течение нескольких дней.

Диагностика многих инфекций

Для этого исследования ученые доставили наночастицы внутривенно, но сейчас они работают над порошковой версией, которую можно вдыхать.

Бхатия предполагает, что этот подход можно использовать для определения наличия у пациента бактериальной или вирусной пневмонии, что поможет врачам решить, следует ли давать пациенту антибиотики или нет. Окончательный тест по выращиванию бактериальной культуры из кашляющей слизи занимает несколько дней, поэтому врачи основывают свои решения на симптомах пациентов и рентгенографии — процесс, который не всегда может быть точным.

Чтобы создать более полную диагностику, лаборатория Бхатии в настоящее время работает над добавлением пептидов, которые могут взаимодействовать с протеазами из других типов бактерий, вызывающих пневмонию, а также с протеазами, которые иммунная система хозяина производит в ответ на вирусную или бактериальную инфекцию. Исследователи также работают над датчиками, которые могут легко различать активные и спящие формы туберкулеза.

Бхатия и другие основали компанию под названием Glympse Bio, которая лицензировала технологию определения протеазы и в настоящее время работает над разработкой датчиков протеазы для возможного использования у людей. В следующем году они планируют начать фазу I клинических испытаний датчика, который может обнаружить фиброз печени, скопление рубцовой ткани, которое может привести к циррозу.

По материалам сайта phys.org