Uitgeademde biomarkers kunnen longziekte aan het licht brengen

Met behulp van gespecialiseerde nanodeeltjes hebben MIT-ingenieurs een manier ontwikkeld om longontsteking of andere longaandoeningen te volgen door de door de patiënt uitgeademde adem te analyseren.

In een onderzoek bij muizen toonden de onderzoekers aan dat ze dit systeem konden gebruiken om bacteriële longontsteking te volgen, evenals een genetische longaandoening die alfa-1-antitrypsinedeficiëntie wordt genoemd.

“We voorzien dat deze technologie u in staat zou stellen een sensor in te ademen en vervolgens in ongeveer 10 minuten een vluchtig gas uit te ademen dat rapporteert over de status van uw longen en of de medicijnen die u gebruikt werken”, zegt Sangeeta Bhatia, de John en Dorothy Wilson Hoogleraar gezondheidswetenschappen en technologie en elektrotechniek en informatica aan het MIT.

Er zou meer veiligheidstest nodig zijn voordat deze benadering bij mensen zou kunnen worden gebruikt, maar in het muizenonderzoek werden geen tekenen van toxiciteit in de longen waargenomen.

Bhatia, die ook lid is van MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research en het Institute for Medical Engineering and Science, is de hoofdauteur van de paper, die vandaag verschijnt in Nature Nanotechnology. De eerste auteur van het artikel is MIT senior postdoc Leslie Chan. Andere auteurs zijn MIT-afgestudeerde student Melodi Anahtar, MIT Lincoln Laboratory-technisch personeelslid Ta-Hsuan Ong, MIT-technisch assistent Kelsey Hern en Lincoln Laboratory-geassocieerde groepsleider Roderick Kunz.

De ademhaling volgen

Sinds enkele jaren werkt het laboratorium van Bhatia aan nanodeeltjesensoren die kunnen worden gebruikt als ‘synthetische biomarkers’. Deze markers zijn peptiden die niet van nature door het lichaam worden geproduceerd, maar worden vrijgegeven uit nanodeeltjes wanneer ze eiwitten tegenkomen die proteasen worden genoemd.

De peptiden die de nanodeeltjes bedekken, kunnen worden aangepast zodat ze worden gesplitst door verschillende proteasen die verband houden met een verscheidenheid aan ziekten. Als een peptide door proteasen in het lichaam van de patiënt uit het nanodeeltje wordt gekliefd, wordt het later uitgescheiden in de urine, waar het kan worden gedetecteerd met een strook papier, vergelijkbaar met een zwangerschapstest. Bhatia heeft dit type urinetest ontwikkeld voor longontsteking, eierstokkanker, longkanker en andere ziekten.

Meer recentelijk richtte ze haar aandacht op het ontwikkelen van biomarkers die konden worden gedetecteerd in de adem in plaats van in de urine. Hierdoor kunnen testresultaten sneller worden verkregen en wordt ook de mogelijke moeilijkheid vermeden om een ​​urinemonster te moeten afnemen van patiënten die mogelijk uitgedroogd zijn, zegt Bhatia.

Zij en haar team realiseerden zich dat ze, door de peptiden die aan de synthetische nanodeeltjes zijn gehecht, chemisch te modificeren, de deeltjes in staat zouden kunnen stellen gassen af ​​te geven die hydrofluoramines worden genoemd en die in de adem kunnen worden uitgeademd. De onderzoekers hebben vluchtige moleculen zo aan het uiteinde van de peptiden bevestigd dat wanneer proteasen de peptiden splitsen, ze als gas in de lucht worden afgegeven.

Samen met Kunz en Ong in het Lincoln Laboratory bedachten Bhatia en haar team een ​​methode om het gas uit de adem te detecteren met behulp van massaspectrometrie. De onderzoekers testten vervolgens de sensoren in muismodellen van twee ziekten: bacteriële longontsteking veroorzaakt door Pseudomonas aeruginosa en alfa-1 antitrypsinedeficiëntie. Tijdens beide ziekten produceren geactiveerde immuuncellen een protease genaamd neutrofielenelastase, dat ontstekingen veroorzaakt.

Voor beide ziekten lieten de onderzoekers zien dat ze binnen ongeveer 10 minuten neutrofielelastase-activiteit konden detecteren. In deze studies gebruikten de onderzoekers nanodeeltjes die intratracheaal werden geïnjecteerd, maar ze werken ook aan een versie die kan worden ingeademd met een apparaat dat lijkt op de inhalers die worden gebruikt om astma te behandelen.

Slimme detectie

De onderzoekers toonden ook aan dat ze hun sensoren konden gebruiken om de effectiviteit van medicamenteuze behandeling voor zowel longontsteking als alfa-1-antitrypsinedeficiëntie te volgen. Het laboratorium van Bhatia werkt nu aan het ontwerpen van nieuwe apparaten voor het detecteren van de uitgeademde sensoren die ze gebruiksvriendelijker zouden kunnen maken, en mogelijk zelfs toestaan ​​dat patiënten ze thuis gebruiken.

“Op dit moment gebruiken we massaspectrometrie als detector, maar in de volgende generatie hebben we nagedacht of we een slimme spiegel kunnen maken, waar je ademt op de spiegel, of iets kunt maken dat zou werken als een auto-blaastest, ‘Bhatia zegt.

Haar laboratorium werkt ook aan sensoren die meer dan één type protease tegelijk kunnen detecteren. Dergelijke sensoren kunnen worden ontworpen om de aanwezigheid van proteasen die verband houden met specifieke ziekteverwekkers te onthullen, waaronder misschien het SARS-CoV-2-virus.