Utilizzando nanoparticelle specializzate, Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un modo per monitorare la polmonite o altre malattie polmonari analizzando il respiro espirato dal paziente.

In uno studio sui topi, i ricercatori hanno dimostrato di poter utilizzare questo sistema per monitorare la polmonite batterica, così come una malattia genetica dei polmoni chiamata deficit di alfa-1 antitripsina.

"Prevediamo che questa tecnologia ti consentirà di inalare un sensore e quindi espirare un gas volatile in circa 10 minuti che riporta lo stato dei tuoi polmoni e se i farmaci che stai assumendo stanno funzionando, "dice Sangeeta Bhatia, il John e Dorothy Wilson Professore di Scienze e Tecnologia della Salute e Ingegneria Elettrica e Informatica al MIT.

Sarebbero necessari ulteriori test di sicurezza prima che questo approccio possa essere utilizzato negli esseri umani, ma nello studio del topo, non sono stati osservati segni di tossicità nei polmoni.

Bahia, che è anche membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT e dell'Institute for Medical Engineering and Science, è l'autore senior del documento, che appare oggi in Nanotecnologia della natura . Il primo autore dell'articolo è Leslie Chan, senior postdoc del MIT. Altri autori sono la studentessa laureata al MIT Melodi Anahtar, Ta-Hsuan Ong, membro dello staff tecnico del MIT Lincoln Laboratory, Assistente tecnico del MIT Kelsey Hern, e Roderick Kunz, leader del gruppo associato del Lincoln Laboratory.

Monitoraggio del respiro

Per molti anni, Il laboratorio di Bhatia ha lavorato su sensori di nanoparticelle che possono essere utilizzati come "biomarcatori sintetici". Questi marcatori sono peptidi che non sono prodotti naturalmente dall'organismo ma vengono rilasciati dalle nanoparticelle quando incontrano proteine ​​chiamate proteasi.

I peptidi che ricoprono le nanoparticelle possono essere personalizzati in modo che vengano scissi da diverse proteasi collegate a una varietà di malattie. Se un peptide viene scisso dalla nanoparticella dalle proteasi nel corpo del paziente, viene poi escreto con le urine, dove può essere rilevato con una striscia di carta simile a un test di gravidanza. Bhatia ha sviluppato questo tipo di test delle urine per la polmonite, cancro ovarico, cancro ai polmoni, e altre malattie.

Più recentemente, ha rivolto la sua attenzione allo sviluppo di biomarcatori che potevano essere rilevati nel respiro piuttosto che nell'urina. Ciò consentirebbe di ottenere i risultati dei test più rapidamente, ed evita anche la potenziale difficoltà di dover acquisire un campione di urina da pazienti che potrebbero essere disidratati, dice Bhatia.

Lei e il suo team si sono resi conto che modificando chimicamente i peptidi attaccati alle nanoparticelle sintetiche, potrebbero consentire alle particelle di rilasciare gas chiamati idrofluoroammine che potrebbero essere espirati nel respiro. I ricercatori hanno attaccato molecole volatili all'estremità dei peptidi in modo tale che quando le proteasi scindono i peptidi, vengono rilasciati nell'aria sotto forma di gas.

Lavorando con Kunz e Ong al Lincoln Laboratory, Bhatia e il suo team hanno ideato un metodo per rilevare il gas dal respiro utilizzando la spettrometria di massa. I ricercatori hanno quindi testato i sensori in modelli murini di due malattie:polmonite batterica causata da Pseudomonas aeruginosa, e deficit di alfa-1antitripsina. Durante entrambe queste malattie, le cellule immunitarie attivate producono una proteasi chiamata elastasi neutrofila, che provoca infiammazione.

Per entrambe queste malattie, i ricercatori hanno dimostrato di poter rilevare l'attività dell'elastasi neutrofila entro circa 10 minuti. In questi studi, i ricercatori hanno utilizzato nanoparticelle che sono state iniettate per via intratracheale, ma stanno anche lavorando a una versione che potrebbe essere inalata con un dispositivo simile agli inalatori usati per curare l'asma.

Rilevamento intelligente

I ricercatori hanno anche dimostrato di poter utilizzare i propri sensori per monitorare l'efficacia del trattamento farmacologico sia per la polmonite che per il deficit di alfa-1 antitripsina. Il laboratorio di Bhatia sta ora lavorando alla progettazione di nuovi dispositivi per rilevare i sensori espirati che potrebbero renderli più facili da usare, potenzialmente anche permettendo ai pazienti di usarli a casa.

"In questo momento stiamo usando la spettrometria di massa come rivelatore, ma nella prossima generazione abbiamo pensato se possiamo realizzare uno specchio intelligente, dove respiri sullo specchio, o fare qualcosa che funzioni come un etilometro per auto, "dice Bhatia.

Il suo laboratorio sta anche lavorando su sensori in grado di rilevare più di un tipo di proteasi alla volta. Tali sensori potrebbero essere progettati per rivelare la presenza di proteasi associate a specifici agenti patogeni, compreso forse il virus SARS-CoV-2.