Η πνευμονία μπορεί να προκληθεί από πολλούς διαφορετικούς τύπους βακτηρίων και ιών, συμπεριλαμβανομένων των βακτηρίων Streptococcus pneumoniae και Haemophilus influenzae, και ιών όπως η γρίπη και ο αναπνευστικός συγκυτιακός ιός (RSV), αλλά δυστυχώς δεν υπάρχει εύκολος τρόπος προσδιορισμού του μικροβίου που προκαλεί την ασθένεια ενός συγκεκριμένου ασθενούς.
Αυτή η αβεβαιότητα καθιστά πιο δύσκολη για τους γιατρούς την επιλογή αποτελεσματικών θεραπειών, κυρίως επειδή τα αντιβιοτικά που χρησιμοποιούνται συνήθως για τη θεραπεία της βακτηριακής πνευμονίας δεν βοηθούν τους ασθενείς με ιογενή πνευμονία. Επιπλέον, ο περιορισμός της χρήσης αντιβιοτικών είναι ένα σημαντικό βήμα προς τον περιορισμό της ανθεκτικότητας των βακτηρίων στα αντιβιοτικά.
Ερευνητές του MIT δημιούργησαν τώρα έναν αισθητήρα νανοσωματιδίων που μπορεί να κάνει διάκριση μεταξύ ιογενών και βακτηριακών πνευμονικών λοιμώξεων και που θα βοηθήσει τους γιατρούς να επιλέξουν την κατάλληλη θεραπεία. «Υπάρχουν πολλά διαφορετικά παθογόνα που μπορούν να οδηγήσουν σε διαφορετικά είδη πνευμονίας, που ακόμη και με τις πιο εκτεταμένες και προηγμένες δοκιμές, το συγκεκριμένο παθογόνο που προκαλεί τη νόσο κάποιου δεν μπορεί να εντοπιστεί στους μισούς περίπου ασθενείς», λέει η καθηγήτρια στο ΜΙΤ Sangeeta Bhatia.
Σε μια μελέτη σε ποντίκια, οι ερευνητές έδειξαν ότι οι αισθητήρες τους μπόρεσαν να διακρίνουν με ακρίβεια τη βακτηριακή από την ιογενή πνευμονία μέσα σε δύο ώρες, χρησιμοποιώντας ένα απλό τεστ ούρων.
Κατά το σχεδιασμό του αισθητήρα η ερευνητική ομάδα εστίασε στην απόκριση του ξενιστή στη μόλυνση, αντί στην ανίχνευση του ίδιου το παθογόνου. Οι ιογενείς και βακτηριακές λοιμώξεις προκαλούν διακριτούς τύπους ανοσολογικών αποκρίσεων, οι οποίες περιλαμβάνουν την ενεργοποίηση κάποιων ενζύμων που ονομάζονται πρωτεάσες, που διασπούν τις πρωτεΐνες. Η ομάδα του MIT διαπίστωσε ότι το σχέδιο δράσης αυτών των ενζύμων μπορεί να χρησιμεύσει ως υπογραφή βακτηριακής ή ιογενούς μόλυνσης.
Εστίαση στην απόκριση του ξενιστή στη μόλυνση
Το ανθρώπινο γονιδίωμα κωδικοποιεί περισσότερες από 500 πρωτεάσες και πολλές από αυτές χρησιμοποιούνται από κύτταρα που ανταποκρίνονται στη μόλυνση, συμπεριλαμβανομένων των Τ κυττάρων, των ουδετερόφιλων και των φυσικών φονικών κυττάρων. Μια ομάδα με επικεφαλής τον Purvesh Khatri, αναπληρωτή καθηγητή ιατρικής και βιοϊατρικών δεδομένων στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ συνέλεξε 33 ανοικτά διαθέσιμα σύνολα δεδομένων γονιδίων που εκφράζονται κατά τη διάρκεια λοιμώξεων του αναπνευστικού και αναλύοντάς τα αναγνώρισε 39 πρωτεάσες που φαίνεται να ανταποκρίνονται διαφορετικά σε διαφορετικούς τύπους μόλυνσης.
Στη συνέχεια, η ερευνητική ομάδα χρησιμοποίησε αυτά τα δεδομένα για να δημιουργήσει 20 διαφορετικούς αισθητήρες που μπορούν να αλληλεπιδράσουν με αυτές τις πρωτεάσες, οι οποίοι αποτελούνται από νανοσωματίδια επικαλυμμένα με πεπτίδια που μπορούν να διασπαστούν από συγκεκριμένες πρωτεάσες. Κάθε πεπτίδιο επισημάνθηκε με ένα μόριο αναφοράς που απελευθερώνεται στα ούρα όταν τα πεπτίδια διασπώνται από πρωτεάσες κατά τη μόλυνση. Τα ούρα μπορούν στη συνέχεια να αναλυθούν με φασματομετρία μάζας για να προσδιοριστεί ποιες πρωτεάσες είναι πιο ενεργές στους πνεύμονες.
ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑ: WIKIMEDIA COMMONS
Οι ερευνητές δοκίμασαν τους αισθητήρες τους σε πέντε διαφορετικές πνευμονικές λοιμώξεις από Streptococcus pneumoniae, Klebsiella pneumoniae, Haemophilus influenzae, ιό γρίπης και από ιό πνευμονίας ποντικών και αφού ανάγνωσαν τα αποτελέσματα από τα τεστ ούρων, χρησιμοποίησαν μηχανική μάθηση για να εκπαιδεύσουν αλγόριθμους που θα μπορούσαν να διακρίνουν την πνευμονία από τους υγιείς ελέγχους , αλλά και την ιογενή από τη βακτηριακή λοίμωξη, με βάση αυτούς τους 20 αισθητήρες.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι οι αισθητήρες τους μπόρεσαν να διακρίνουν και τα πέντε παθογόνα που δοκίμασαν, αλλά με μικρότερη ακρίβεια από το τεστ για τη διάκριση μεταξύ ιών και βακτηρίων, ανοίγοντας τον δρόμο για την ανάπτυξη αλγορίθμων που μπορούν να προσδιορίσουν με ακρίβεια και την κατηγορία των μικροβίων που προκαλούν πνευμονική λοίμωξη.
Στο μέλλον τεστ στο σπίτι
Η πνευμονική λοίμωξη με βάση τα ούρα θα μπορεί να ανιχνεύεται μελλοντικά με μια λωρίδα χαρτιού, παρόμοια με ένα τεστ εγκυμοσύνης, που θα επιτρέπει την ακριβή διάγνωση. Για το σκοπό αυτό, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα υποσύνολο πέντε αισθητήρων που θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν για δοκιμές στο σπίτι. Ωστόσο, χρειάζεται πολλή δουλειά ακόμη για να λειτουργήσουν εξίσου καλά στους ανθρώπους, οι οποίοι έχουν μεγαλύτερη γενετική και κλινική μεταβλητότητα από τα ποντίκια.
Στη μελέτη τους, οι ερευνητές εντόπισαν επίσης ορισμένα πρότυπα απόκρισης του ξενιστή σε διαφορετικούς τύπους μόλυνσης. Σε ποντίκια με βακτηριακές λοιμώξεις, οι πρωτεάσες που εκκρίνονται από τα ουδετερόφιλα παρατηρήθηκαν πιο έντονα, κάτι που ήταν αναμενόμενο επειδή τα ουδετερόφιλα τείνουν να ανταποκρίνονται περισσότερο σε βακτηριακές λοιμώξεις παρά σε ιογενείς. Οι ιογενείς λοιμώξεις, από την άλλη πλευρά, προκάλεσαν δραστηριότητα πρωτεάσης από τα Τ κύτταρα και τα φονικά κύτταρα.
Ένας από τους αισθητήρες που παρήγαγε το ισχυρότερο σήμα συνδέθηκε με μια πρωτεάση που ονομάζεται granzyme B, η οποία πυροδοτεί τον προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι αυτός ο αισθητήρας ενεργοποιήθηκε σε μεγάλο βαθμό στους πνεύμονες ποντικών με ιογενείς λοιμώξεις και ότι τόσο τα φονικά όσο και τα Τ κύτταρα συμμετείχαν στην απόκριση.
Η εφαρμογή των αισθητήρων στα ποντίκια έγινε με ένεση, αλλά τώρα οι ερευνητές αναπτύσσουν εκδόσεις αισθητήρων για ανθρώπινη χρήση που θα μπορούσαν να χορηγηθούν είτε με νεφελοποιητή είτε με συσκευή εισπνοής παρόμοια με του άσθματος. Εργάζονται επίσης σε έναν τρόπο ανίχνευσης των αποτελεσμάτων χρησιμοποιώντας αλκοτέστ αντί για τεστ ούρων που θα μπορούσε να δώσει αποτελέσματα ακόμη πιο γρήγορα.
*Η μελέτη δημοσιεύθηκε στις 13 Ιουνίου 2022, στα Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (https://doi.org/10.1073/pnas.2121778119)
