许多不同类型的细菌和病毒会引起肺炎，但是没有简单的方法来确定哪种微生物会导致特定患者的疾病。这种不确定性使医生更难选择有效的治疗方法，因为通常用于治疗细菌性肺炎的抗生素不会帮助病毒性肺炎患者。另外，限制使用抗生素是遏制抗生素耐药性的重要一步。
麻省理工学院的研究人员现在设计了一种可以区分病毒和细菌性肺炎感染的传感器，他们希望这将帮助医生选择适当的治疗方法。
“面临的挑战是，有很多不同的病原体会导致不同种类的肺炎，即使进行了最广泛，最先进的检查，也无法在大约一半的患者中发现引起某人疾病的特定病原体。And if you treat a viral pneumonia with antibiotics, then you could be contributing to antibiotic resistance, which is a big problem, and the patient won’t get better,” says Sangeeta Bhatia, the John and Dorothy Wilson Professor of Health Sciences and Technology and of Electrical Engineering and Computer Science at MIT and a member of MIT’s Koch Institute for Integrative Cancer Research and Institute for Medical Engineering and Science.
在一项小鼠的研究中，研究人员表明，他们的传感器可以在两个小时内准确区分细菌和病毒性肺炎，并使用简单的尿液测试来读取结果。
Bhatia是该研究的高级作者，本周出现在本周美国国家科学院论文集。Melodi Anahtar ’16，PhD ’22是该论文的主要作者。
感染的签名
很难区分病毒和细菌性肺炎的原因之一是，有很多微生物会引起肺炎，包括细菌肺炎链球菌和嗜血杆菌流感，以及诸如流感和呼吸道合胞病毒（RSV）之类的病毒。
在设计传感器时，研究团队决定专注于衡量宿主对感染的反应，而不是试图检测病原体本身。病毒和细菌感染引起了独特的免疫反应类型，包括称为蛋白酶的酶的激活，这些酶破坏了蛋白质。麻省理工学院小组发现，这些酶的活性模式可以作为细菌或病毒感染的特征。
人基因组编码500多个蛋白酶，其中许多是由对感染的细胞使用的，包括T细胞，中性粒细胞和天然杀伤（NK）细胞。由斯坦福大学医学和生物医学数据科学副教授，论文的作者之一Purvesh Khatri领导的团队，收集了33个在呼吸道感染期间表达的基因的公开数据集。通过分析这些数据，Khatri能够识别出似乎对不同类型的感染反应不同的39种蛋白酶。
Bhatia和她的学生随后使用这些数据创建了20种可以与这些蛋白酶相互作用的不同传感器。传感器由涂有肽的纳米颗粒组成，这些肽可以被特定蛋白酶裂解。每种肽都用报告基因分子标记，当肽被感染中上调的蛋白酶裂解时，该分子被释放。这些记者最终在尿液中排出。然后可以用质谱法分析尿液，以确定哪些蛋白酶在肺中最活跃。
研究人员在五种不同的肺炎小鼠模型中测试了其传感器，这是由感染引起的肺炎链球菌，，，，克雷伯氏菌肺炎，，，，嗜血杆菌流感，小鼠流感病毒和肺炎病毒。
在阅读了尿液测试的结果后，研究人员使用机器学习来分析数据。使用这种方法，他们能够训练可以区分肺炎与健康对照的算法，并根据这20个传感器区分感染是病毒还是细菌。
研究人员还发现，他们的传感器可以区分他们测试的五种病原体，但准确性低于测试以区分病毒和细菌。研究人员可能追求的一种可能性是开发算法，这些算法不仅可以区分细菌与病毒感染，而且还可以鉴定出引起细菌感染的微生物类别，这可以帮助医生选择最佳的抗生素来抵抗这种类型的细菌。
基于尿液的读数也可以通过纸带进行未来的检测，类似于妊娠试验，这将允许进行诊断。为此，研究人员确定了五个传感器的子集，这些传感器可能会使家用测试更接近。但是，需要更多的工作来确定减少的面板在人类中是否同样有效，而人类的遗传和临床变异性比小鼠更大。
响应模式
在他们的研究中，研究人员还确定了一些宿主对不同类型感染的反应模式。在具有细菌感染的小鼠中，被嗜中性粒细胞分泌的蛋白酶更为突出，这是可以预期的，因为中性粒细胞倾向于对细菌感染的反应比病毒感染更多。
另一方面，病毒感染引起了T细胞和NK细胞的蛋白酶活性，通常对病毒感染反应更多。产生最强信号的传感器之一与称为颗粒酶B的蛋白酶有关，该蛋白酶会触发编程的细胞死亡。研究人员发现，该传感器在病毒感染的小鼠的肺中被高度激活，并且NK和T细胞都参与了反应。
为了传递小鼠的传感器，研究人员将它们直接注入气管中，但是现在它们正在开发用于人类使用的版本，可以使用类似于哮喘吸入器的雾化器或吸入器来给药。他们还在努力使用呼吸分析仪而不是尿液测试来检测结果，这可以更快地提供结果。
这项研究部分由Bill and Melinda Gates Foundation，Janssen研发，Koch Institute支持（CORE）的赠款（CORE）资助以及国家癌症研究所的资助以及国家环境卫生研究所。
