专门的纳米颗粒通过分析患者的呼吸来创建“呼吸信号”以诊断疾病

麻省理工学院的工程师设计了可以诊断肺部疾病的纳米颗粒传感器。如果肺中存在与疾病相关的蛋白质，则该蛋白质会从纳米颗粒中裂解出一种气态分子，并且可以在患者的呼吸中检测到这种气体。

特殊的纳米颗粒会产生“呼吸信号”，可用于诊断肺炎和其他传染性或遗传性疾病。

麻省理工学院的工程师们使用专门的纳米颗粒，开发了一种通过分析患者呼出的呼吸来监测肺炎或其他肺部疾病的方法。

在对小鼠的研究中，研究人员表明他们可以使用该系统监测细菌性肺炎，以及一种称为α-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您能够吸入传感器，然后在大约10分钟内呼出挥发性气体，从而报告您的肺部状况以及您所服用的药物是否有效，” Sangeeta Bhatia，John和多萝西·威尔逊（Dorothy Wilson）麻省理工学院健康科学与技术和电气工程与计算机科学教授。

在将这种方法用于人体之前，需要进行更多的安全性测试，但在小鼠研究中，未观察到对肺有毒性的迹象。

巴蒂亚（Bhatia）是该论文的资深作者，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，该论文现已发表在《自然纳米技术》上。该论文的第一作者是麻省理工学院的高级博士后陈国荣。其他作者是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罗德里克·昆兹（Roderick Kunz）。

监测呼吸

数年来，Bhatia的实验室一直在研究可用作“合成生物标记”的纳米颗粒传感器。这些标记物不是人体天然产生的肽，而是在遇到称为蛋白酶的蛋白质时从纳米颗粒释放的。

可以定制包覆纳米颗粒的肽，以使它们被与多种疾病相关的不同蛋白酶切割。如果一种肽被患者体内的蛋白酶从纳米颗粒上切割下来，则该肽随后会在尿液中排泄，可以用类似于验孕的纸条将其检测出来。Bhatia已开发出这种类型的尿检方法，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而不是尿液中检测到的生物标志物。Bhatia说，这将使测试结果能够更快地获得，并且还避免了必须从可能脱水的患者那里获取尿液样本的潜在困难。

她和她的团队意识到，通过化学修饰附着在合成纳米颗粒上的肽，它们可以使颗粒释放出可被呼出的称为氢氟胺的气体。研究人员将挥发性分子连接到肽的末端，使得蛋白酶裂解肽时，它们会以气体的形式释放到空气中。

Bhatia和她的团队与Lincoln实验室的Kunz和Ong合作，设计了一种使用质谱法从呼吸中检测气体的方法。研究人员随后在两种疾病的小鼠模型中测试了传感器-铜绿假单胞菌引起的细菌性肺炎和α-1抗胰蛋白酶缺乏症。在这两种疾病中，活化的免疫细胞会产生一种称为嗜中性白细胞弹性蛋白酶的蛋白酶，该蛋白酶会引起炎症。

对于这两种疾病，研究人员表明，他们可以在大约10分钟内检测出嗜中性粒细胞弹性蛋白酶的活性。在这些研究中，研究人员使用了经气管内注射的纳米颗粒，但他们还在研究一种可以通过类似于用于治疗哮喘的吸入器进行吸入的形式。

智能检测

研究人员还证明，他们可以使用传感器监测针对肺炎和α-1抗胰蛋白酶缺乏症的药物治疗的有效性。Bhatia的实验室目前正在设计新的设备，以检测呼出的传感器，使它们更易于使用，甚至可能允许患者在家中使用它们。

“目前，我们正在使用质谱仪作为检测器，但在下一代产品中，我们一直在考虑是否可以制造智能镜，在镜上呼吸，还是可以像汽车呼吸仪一样工作，巴蒂亚说。

她的实验室还在研究可以一次检测多种蛋白酶的传感器。可以将此类传感器设计为揭示与特定病原体（可能包括SARS-CoV-2病毒）相关的蛋白酶的存在。

参考：Leslie W. Chan，Melodi N. Anahtar，Ta-Huan Ong，Kelsey E.Hern，Roderick R. Kunz和Sangeeta N.Bhatia的“工程设计呼吸道疾病综合呼吸生物标志物”，自然纳米技术。DOI：
10.1038 / s41565-020-0723-4

该研究由比尔和梅琳达·盖茨基金会的全球卫生创新合作伙伴基金资助；马萨诸塞州总医院； MGH，麻省理工学院和哈佛大学Ragon学院； Janssen研究与开发；以及凯西·库特（Kathy and Curt）大理石癌研究基金。