一款可以區(qū)分病毒性和細(xì)菌性肺炎感染的納米粒子傳感器

很多不同類(lèi)型的細(xì)菌和病毒都可能導(dǎo)致肺炎，但目前還沒(méi)有簡(jiǎn)單易行的方法可以確定特定患者的疾病是由哪種微生物導(dǎo)致的。這種不確定性增大了醫(yī)生選擇有效治療方法的難度，因?yàn)橛糜谥委熂?xì)菌性肺炎的抗生素通常對(duì)病毒性肺炎患者沒(méi)有幫助。此外，限制抗生素的濫用是遏制抗生素耐藥性的至關(guān)重要的手段。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，美國(guó)麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology，MIT）的研究人員設(shè)計(jì)了一款可以區(qū)分病毒性和細(xì)菌性肺炎感染的納米粒子傳感器，希望可以幫助醫(yī)生選擇合適的治療方法。

“挑戰(zhàn)在于，有許多不同的病原體可導(dǎo)致不同類(lèi)型的肺炎，即使對(duì)患者進(jìn)行最廣泛和最先進(jìn)的檢測(cè)，也有50%的概率無(wú)法確定導(dǎo)致肺炎的特定病原體。如果患者用抗生素治療病毒性肺炎，可能會(huì)導(dǎo)致抗生素耐藥性，這是一個(gè)大問(wèn)題，而且患者不會(huì)好轉(zhuǎn)?！甭槭±砉W(xué)院衛(wèi)生科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院John & Dorothy Wilson講席教授、麻省理工學(xué)院科赫綜合癌癥研究所和醫(yī)學(xué)工程與科學(xué)研究所成員Sangeeta Bhatia說(shuō)。

在一項(xiàng)對(duì)小鼠的研究中，麻省理工學(xué)院的研究人員證實(shí)了其開(kāi)發(fā)的傳感器可以在兩小時(shí)內(nèi)準(zhǔn)確區(qū)分細(xì)菌性和病毒性肺炎，并且僅使用簡(jiǎn)單的尿液檢測(cè)即可讀取結(jié)果。這項(xiàng)研究成果于近期發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上，Bhatia是該研究的通訊作者，Melodi Anahtar博士是該論文的第一作者。

感染特征

難以區(qū)分病毒性肺炎和細(xì)菌性肺炎的一個(gè)原因是，有太多微生物可以引起肺炎，包括肺炎鏈球菌和流感嗜血桿菌，以及流感和呼吸道合胞病毒（RSV）等病毒。麻省理工學(xué)院研究人員在進(jìn)行傳感器設(shè)計(jì)時(shí)，決定專(zhuān)注于評(píng)估宿主對(duì)感染的反應(yīng)，而不是試圖檢測(cè)病原體本身。病毒和細(xì)菌感染會(huì)引發(fā)不同類(lèi)型的免疫反應(yīng)，包括激活可以分解蛋白質(zhì)的蛋白酶。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些酶的活性模式可以作為細(xì)菌或病毒感染的標(biāo)志。

人類(lèi)基因組編碼超過(guò)500種蛋白酶，其中許多是由包括T細(xì)胞、中性粒細(xì)胞和自然殺傷（NK）細(xì)胞等免疫細(xì)胞分泌。由美國(guó)斯坦福大學(xué)（Stanford University）醫(yī)學(xué)和生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)科學(xué)方向副教授、該論文的作者之一Purvesh Khatri領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)收集了33個(gè)公開(kāi)可用的在呼吸道感染期間表達(dá)的基因數(shù)據(jù)集。通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)，Khatri能夠識(shí)別出39種蛋白酶，這些蛋白酶對(duì)不同類(lèi)型的感染有不同的反應(yīng)。

Bhatia和她的學(xué)生隨后使用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)建了20種不同的納米粒子傳感器，這些傳感器可以與蛋白酶相互作用。傳感器由涂有肽的納米粒子組成，這些肽可以被特定的蛋白酶切割。每個(gè)肽都標(biāo)記有報(bào)告分子，當(dāng)肽被感染中上調(diào)的蛋白酶切割時(shí)，報(bào)告分子會(huì)釋放出來(lái)，最終通過(guò)尿液排出體外。然后研究人員就可以用質(zhì)譜分析尿液以確定哪些蛋白酶在肺中最活躍。

此外，研究人員分別設(shè)計(jì)了由肺炎鏈球菌、肺炎克雷伯菌、流感嗜血桿菌、流感病毒和小鼠肺炎病毒感染引起的五種不同的肺炎小鼠模型，并利用這些模型測(cè)試了開(kāi)發(fā)的納米粒子傳感器。

在讀出尿液檢測(cè)的結(jié)果后，研究人員進(jìn)一步使用機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)分析數(shù)據(jù)。使用這種方法，研究人員能夠訓(xùn)練可以區(qū)分肺炎與健康對(duì)照樣本的算法，并根據(jù)這20個(gè)納米粒子傳感器區(qū)分感染是由病毒還是細(xì)菌引發(fā)的。

納米粒子傳感器利用宿主分泌的蛋白酶診斷肺炎的機(jī)制示意圖

研究人員還發(fā)現(xiàn)，雖然他們開(kāi)發(fā)的納米粒子傳感器可以區(qū)分所檢測(cè)的五種病原體，但準(zhǔn)確度低于對(duì)病毒和細(xì)菌的區(qū)分。研究人員希望能夠開(kāi)發(fā)一種算法，其不僅可以區(qū)分細(xì)菌和病毒感染，還可以識(shí)別導(dǎo)致細(xì)菌感染的微生物類(lèi)別，這可以幫助醫(yī)生選擇最好的抗生素來(lái)對(duì)抗這種細(xì)菌。

此外，尿液檢測(cè)也可以通過(guò)類(lèi)似于妊娠試驗(yàn)的紙基測(cè)試條進(jìn)行，從而具有實(shí)現(xiàn)即時(shí)診斷的潛力。為此，研究人員從開(kāi)發(fā)出的傳感器中選定了其中的五種，可以使家用檢測(cè)更觸手可及。然而，減少檢測(cè)環(huán)節(jié)是否還能夠在人體中進(jìn)行有效診斷，這需要更多的工作來(lái)證實(shí)，因?yàn)槿祟?lèi)比小鼠具有更多的遺傳和臨床變異性。

反應(yīng)模式

另外，研究人員還確定了宿主對(duì)不同類(lèi)型感染的一些特定反應(yīng)模式。在患有細(xì)菌感染的小鼠中，中性粒細(xì)胞分泌的蛋白酶更為明顯，這是意料之中的，因?yàn)橹行粤＜?xì)胞對(duì)細(xì)菌感染的反應(yīng)比對(duì)病毒感染的反應(yīng)更大。

另一方面，病毒感染會(huì)激發(fā)T細(xì)胞和NK細(xì)胞的蛋白酶活性，這些細(xì)胞通常對(duì)病毒感染反應(yīng)更大。產(chǎn)生最強(qiáng)信號(hào)的納米粒子傳感器之一與一種叫做粒子酶B的蛋白酶有關(guān)，這種蛋白酶會(huì)觸發(fā)程序性細(xì)胞死亡。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種傳感器在病毒感染小鼠的肺部被高度激活，并且NK和T細(xì)胞都參與了反應(yīng)過(guò)程。

為了將這種納米粒子傳感器順利放置到小鼠體內(nèi)，研究人員將傳感器直接注射到小鼠氣管中，與此同時(shí)，研究人員現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)供人類(lèi)使用的版本，可以使用霧化器或類(lèi)似于哮喘吸入器來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器傳送。他們還在研究一種使用呼氣酒精檢測(cè)器代替尿檢來(lái)檢測(cè)結(jié)果的方法，這可以更快地給出結(jié)果。

這項(xiàng)研究的部分資金來(lái)自比爾和梅琳達(dá)·蓋茨基金會(huì)（Bill and Melinda Gates Foundation）、楊森研發(fā)（Janssen Research and Development）、國(guó)家癌癥研究所的科赫研究所支持（核心）贈(zèng)款（Koch Institute Support（core）Grant from the National Cancer Institute），以及國(guó)家環(huán)境健康科學(xué)研究所（National Institute of Environmental Health Sciences）。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2121778119

審核編輯 ：李倩