Molti diversi tipi di batteri e virus possono causare la polmonite, ma non esiste un modo semplice per determinare quale microbo stia causando la malattia di un particolare paziente. Questa incertezza rende più difficile per i medici scegliere trattamenti efficaci perché gli antibiotici comunemente usati per curare la polmonite batterica non aiuteranno i pazienti con polmonite virale. Inoltre, limitare l'uso di antibiotici è un passo importante verso il contenimento della resistenza agli antibiotici.

I ricercatori del MIT hanno ora progettato un sensore in grado di distinguere tra infezioni da polmonite virale e batterica, che sperano possa aiutare i medici a scegliere il trattamento appropriato.

"La sfida è che ci sono molti agenti patogeni diversi che possono portare a diversi tipi di polmonite e, anche con i test più ampi e avanzati, l'agente patogeno specifico che causa la malattia di qualcuno non può essere identificato in circa la metà dei pazienti. E se tratti una polmonite virale con antibiotici, quindi potresti contribuire alla resistenza agli antibiotici, il che è un grosso problema e il paziente non migliorerà", afferma Sangeeta Bhatia, professore di scienze e tecnologia della salute di John e Dorothy Wilson e di Ingegneria elettrica e informatica al MIT e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research e Institute for Medical Engineering and Science del MIT.

In uno studio sui topi, i ricercatori hanno dimostrato che i loro sensori potevano distinguere con precisione la polmonite batterica e virale entro due ore, utilizzando un semplice test delle urine per leggere i risultati.

Bhatia è l'autore senior dello studio, che appare questa settimana negli Proceedings of the National Academy of Sciences . Melodi Anahtar '16, Ph.D. '22 è l'autore principale del documento.

Firme di infezione

Uno dei motivi per cui è stato difficile distinguere tra polmonite virale e batterica è che ci sono così tanti microbi che possono causare la polmonite, compresi i batteri Streptococcus pneumoniae e Haemophilus influenzae e virus come l'influenza e il virus respiratorio sinciziale (RSV).

Nella progettazione del sensore, il team di ricerca ha deciso di concentrarsi sulla misurazione della risposta dell'ospite all'infezione, piuttosto che sul tentativo di rilevare l'agente patogeno stesso. Le infezioni virali e batteriche provocano tipi distinti di risposte immunitarie, che includono l'attivazione di enzimi chiamati proteasi, che scompongono le proteine. Il team del MIT ha scoperto che il modello di attività di questi enzimi può fungere da segno di un'infezione batterica o virale.

Il genoma umano codifica per più di 500 proteasi e molte di queste sono utilizzate dalle cellule che rispondono all'infezione, comprese le cellule T, i neutrofili e le cellule natural killer (NK). Un team guidato da Purvesh Khatri, professore associato di medicina e scienza dei dati biomedici presso la Stanford University e uno degli autori dell'articolo, ha raccolto 33 set di dati pubblicamente disponibili di geni espressi durante le infezioni respiratorie. Analizzando questi dati, Khatri è stata in grado di identificare 39 proteasi che sembrano rispondere in modo diverso a diversi tipi di infezione.

Bhatia e i suoi studenti hanno quindi utilizzato quei dati per creare 20 diversi sensori in grado di interagire con quelle proteasi. I sensori sono costituiti da nanoparticelle rivestite di peptidi che possono essere scissi da particolari proteasi. Ogni peptide è etichettato con una molecola reporter che viene liberata quando i peptidi vengono scissi dalle proteasi che sono sovraregolate nell'infezione. Quei giornalisti vengono infine escreti nelle urine. L'urina può quindi essere analizzata con la spettrometria di massa per determinare quali proteasi sono più attive nei polmoni.

I ricercatori hanno testato i loro sensori in cinque diversi modelli murini di polmonite, causata da infezioni da Streptococcus pneumoniae , Klebsiella pneumoniae , Haemophilus influenzae , virus dell'influenza e virus della polmonite dei topi.

Dopo aver letto i risultati dei test delle urine, i ricercatori hanno utilizzato l'apprendimento automatico per analizzare i dati. Utilizzando questo approccio, sono stati in grado di addestrare algoritmi in grado di distinguere tra polmonite e controlli sani e anche distinguere se un'infezione era virale o batterica, sulla base di quei 20 sensori.

I ricercatori hanno anche scoperto che i loro sensori potevano distinguere tra i cinque agenti patogeni che hanno testato, ma con una precisione inferiore rispetto al test per distinguere tra virus e batteri. Una possibilità che i ricercatori possono perseguire è lo sviluppo di algoritmi in grado non solo di distinguere le infezioni batteriche da quelle virali, ma anche di identificare la classe di microbi che causano un'infezione batterica, che potrebbe aiutare i medici a scegliere il miglior antibiotico per combattere quel tipo di batteri.

La lettura basata sulle urine è anche suscettibile di rilevamento futuro con una striscia di carta, simile a un test di gravidanza, che consentirebbe la diagnosi presso il punto di cura. A tal fine, i ricercatori hanno identificato un sottoinsieme di cinque sensori che potrebbero mettere a portata di mano i test a domicilio. Tuttavia, è necessario più lavoro per determinare se il pannello ridotto funzionerebbe altrettanto bene negli esseri umani, che hanno una variabilità genetica e clinica maggiore rispetto ai topi.

Modelli di risposta

Nel loro studio, i ricercatori hanno anche identificato alcuni modelli di risposta dell'ospite a diversi tipi di infezione. Nei topi con infezioni batteriche, le proteasi secrete dai neutrofili sono state osservate in modo più evidente, il che era previsto perché i neutrofili tendono a rispondere maggiormente alle infezioni batteriche rispetto alle infezioni virali.

Le infezioni virali, d'altra parte, hanno provocato l'attività proteasica dei linfociti T e NK, che di solito rispondono maggiormente alle infezioni virali. Uno dei sensori che ha generato il segnale più forte è stato collegato a una proteasi chiamata granzima B, che innesca la morte cellulare programmata. I ricercatori hanno scoperto che questo sensore era altamente attivato nei polmoni dei topi con infezioni virali e che nella risposta erano coinvolti sia i linfociti NK che i linfociti T.

Per fornire i sensori nei topi, i ricercatori li hanno iniettati direttamente nella trachea, ma ora stanno sviluppando versioni per uso umano che potrebbero essere somministrate utilizzando un nebulizzatore o un inalatore simile a un inalatore per l'asma. Stanno anche lavorando a un modo per rilevare i risultati utilizzando un etilometro anziché un test delle urine, che potrebbe fornire risultati ancora più rapidamente. + Esplora ulteriormente

Con queste nanoparticelle, un semplice test delle urine potrebbe diagnosticare la polmonite batterica