呼出的生物标记可以揭示肺部疾病

通过使用特殊的纳米颗粒，麻省理工学院的工程师已经开发出一种通过分析病人呼出的呼吸来监测肺炎或其他肺部疾病的方法。

在一项对小鼠的研究中，研究人员表明他们可以使用这个系统来监测细菌性肺炎，以及一种被称为阿尔法-1抗胰蛋白酶缺乏症的肺部遗传疾病。

“我们设想,这项技术将使你吸入一个传感器,然后呼出气体波动大约10分钟,报告你的肺部的状态和你服用的药物是否有效,”桑吉塔•巴蒂亚说,约翰和多萝西·威尔逊教授健康科学和技术和麻省理工学院的电气工程和计算机科学。

在将这种方法用于人类之前，还需要进行更多的安全性测试，但在小鼠研究中，没有观察到肺毒性的迹象。

Bhatia也是麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所的成员，是今天发表在《自然纳米技术》上的这篇论文的资深作者。本文的第一作者是麻省理工学院高级博士后Leslie Chan。其他作者包括麻省理工学院研究生Melodi Anahtar、麻省理工学院林肯实验室技术人员Ta-Hsuan Ong、麻省理工学院技术助理Kelsey Hern和林肯实验室副组长Roderick Kunz。

监测呼吸

几年来，Bhatia的实验室一直在研究纳米颗粒传感器，这种传感器可以用作“合成生物标记”。“这些标记是肽类，这些肽类不是人体自然产生的，而是纳米颗粒遇到蛋白酶时释放出来的。

纳米颗粒表面的多肽可以被定制，这样它们就可以被与多种疾病相关的不同蛋白酶裂解。如果肽被患者体内的蛋白酶从纳米颗粒中分离出来，它随后会从尿液中排泄出来，在尿液中可以用类似于验孕试纸的纸条检测到。Bhatia开发了这种尿检用于肺炎、卵巢癌、肺癌和其他疾病。

最近，她将注意力转向开发可以在呼吸中检测到的生物标记，而不是在尿液中。Bhatia说，这将使检测结果能够更快地获得，而且还避免了从可能脱水的患者那里获取尿样的潜在困难。

她和她的团队意识到，通过对合成纳米颗粒上的肽进行化学修饰，他们可以使这些颗粒释放一种叫做氢氟胺的气体，这种气体可以在呼吸时被呼出。研究人员将挥发性分子附着在肽的末端，当蛋白酶裂解肽时，它们以气体的形式释放到空气中。

在林肯实验室，巴蒂亚和她的团队与昆兹和翁合作，设计了一种用质谱法检测呼吸中气体的方法。然后，研究人员在两种疾病的小鼠模型上测试了传感器——由绿脓杆菌引起的细菌性肺炎和alpha-1抗胰蛋白酶缺乏症。在这两种疾病中，被激活的免疫细胞会产生一种被称为中性粒细胞弹性蛋白酶的蛋白酶，它会引起炎症。

对于这两种疾病，研究人员表明他们可以在大约10分钟内检测到中性粒细胞弹性蛋白酶的活性。在这些研究中，研究人员使用了气管内注射的纳米颗粒，但他们也在研究一种可以通过类似于用于治疗哮喘的吸入器吸入的纳米颗粒。

智能检测

研究人员还证明，他们可以使用他们的传感器来监测药物治疗肺炎和-1抗胰蛋白酶缺乏症的有效性。Bhatia的实验室目前正在设计检测呼出传感器的新设备，这将使它们更容易使用，甚至有可能让患者在家里使用它们。

Bhatia说:“现在我们使用的是质谱检测仪，但在下一代，我们一直在考虑是否可以制作一个智能镜子，你可以对着镜子呼吸，或者制作一个类似于汽车酒精测试仪的东西。”

她的实验室还在研究能够同时检测多种蛋白酶的传感器。这种传感器可以用来揭示与特定病原体相关的蛋白酶的存在，其中可能包括SARS-CoV-2病毒。

这项研究得到了比尔和梅林达·盖茨基金会的全球卫生创新伙伴关系赠款的资助;马萨诸塞州综合医院;密歇根大学、麻省理工学院和哈佛大学的拉贡研究所;詹森研究与发展公司;还有凯茜和柯特·大理石癌症研究基金。