Usando nanopartículas especializadas, Los ingenieros del MIT han desarrollado una forma de controlar la neumonía u otras enfermedades pulmonares analizando el aliento exhalado por el paciente.

En un estudio de ratones, los investigadores demostraron que podían utilizar este sistema para controlar la neumonía bacteriana, así como un trastorno genético de los pulmones llamado deficiencia de alfa-1 antitripsina.

"Imaginamos que esta tecnología le permitiría inhalar un sensor y luego exhalar un gas volátil en aproximadamente 10 minutos que informa sobre el estado de sus pulmones y si los medicamentos que está tomando están funcionando". "dice Sangeeta Bhatia, el profesor John y Dorothy Wilson de Ciencias y Tecnología de la Salud e Ingeniería Eléctrica e Informática en el MIT.

Se necesitarían más pruebas de seguridad antes de que este enfoque pudiera usarse en humanos, pero en el estudio del ratón, no se observaron signos de toxicidad en los pulmones.

Bhatia, quien también es miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer del MIT y del Instituto de Ingeniería y Ciencia Médica, es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Nanotecnología de la naturaleza . La primera autora del artículo es Leslie Chan, postdoctoral senior del MIT. Otros autores son la estudiante graduada del MIT Melodi Anahtar, Ta-Hsuan Ong, miembro del personal técnico del Laboratorio Lincoln del MIT, Asistente técnica del MIT Kelsey Hern, y el líder del grupo asociado del Laboratorio Lincoln, Roderick Kunz.

Monitoreando la respiración

Por muchos años, El laboratorio de Bhatia ha estado trabajando en sensores de nanopartículas que pueden usarse como 'biomarcadores sintéticos'. Estos marcadores son péptidos que el cuerpo no produce de forma natural, pero que se liberan de las nanopartículas cuando se encuentran con proteínas llamadas proteasas.

Los péptidos que recubren las nanopartículas se pueden personalizar para que sean escindidos por diferentes proteasas que están vinculadas a una variedad de enfermedades. Si un péptido es escindido de la nanopartícula por proteasas en el cuerpo del paciente, luego se excreta en la orina, donde se puede detectar con una tira de papel similar a una prueba de embarazo. Bhatia ha desarrollado este tipo de análisis de orina para la neumonía, cáncer de ovarios, cáncer de pulmón, y otras enfermedades.

Más recientemente, centró su atención en el desarrollo de biomarcadores que pudieran detectarse en el aliento en lugar de en la orina. Esto permitiría obtener los resultados de las pruebas más rápidamente, y también evita la dificultad potencial de tener que adquirir una muestra de orina de pacientes que pudieran estar deshidratados, Dice Bhatia.

Ella y su equipo se dieron cuenta de que al modificar químicamente los péptidos adheridos a las nanopartículas sintéticas, podrían permitir que las partículas liberen gases llamados hidrofluoroaminas que podrían exhalarse con la respiración. Los investigadores unieron moléculas volátiles al extremo de los péptidos de tal manera que cuando las proteasas escinden los péptidos, se liberan al aire en forma de gas.

Trabajando con Kunz y Ong en el Laboratorio Lincoln, Bhatia y su equipo idearon un método para detectar el gas de la respiración mediante espectrometría de masas. Luego, los investigadores probaron los sensores en modelos de ratón de dos enfermedades:neumonía bacteriana causada por Pseudomonas aeruginosa, y deficiencia de alfa-1antitripsina. Durante ambas enfermedades, las células inmunes activadas producen una proteasa llamada elastasa de neutrófilos, que causa inflamación.

Para ambas enfermedades, los investigadores demostraron que podían detectar la actividad de la elastasa de los neutrófilos en unos 10 minutos. En estos estudios, los investigadores utilizaron nanopartículas que se inyectaron por vía intratraqueal, pero también están trabajando en una versión que podría inhalarse con un dispositivo similar a los inhaladores que se usan para tratar el asma.

Detección inteligente

Los investigadores también demostraron que podían usar sus sensores para monitorear la efectividad del tratamiento con medicamentos tanto para la neumonía como para la deficiencia de alfa-1 antitripsina. El laboratorio de Bhatia ahora está trabajando en el diseño de nuevos dispositivos para detectar los sensores exhalados que podrían facilitar su uso. potencialmente incluso permitiendo que los pacientes los usen en casa.

"Ahora mismo estamos usando espectrometría de masas como detector, pero en la próxima generación hemos estado pensando en si podemos hacer un espejo inteligente donde respiras en el espejo, o hacer algo que funcione como un alcoholímetro de automóvil, "Dice Bhatia.

Su laboratorio también está trabajando en sensores que podrían detectar más de un tipo de proteasa a la vez. Dichos sensores podrían diseñarse para revelar la presencia de proteasas asociadas con patógenos específicos, incluyendo quizás el virus SARS-CoV-2.