Наносенсоры помогут определить патоген, вызвавший пневмонию

Внебольничная пневмония — наиболее распространенная причина смерти от инфекции в мире. При этом в половине случаев патоген, вызвавший болезнь, остается неизвестным. Существующие тесты не могут быстро и достоверно отличить вирусную пневмонию от пневмонии бактериального генеза, что приводит к назначению неэффективной терапии. Чтобы решить эту проблему, ученые из Массачусетского технологического института и коллабораторы разработали панель наносенсоров, которые выводятся из организма с мочой и позволяют детектировать активность протеаз в организме. Тесты на мышах показали, что полученные сигнатуры протеазной активности успешно дифференцируют случаи бактериальной и вирусной пневмонии.

Существует много разнообразных патогенов, вызывающих пневмонию, в том числе и неизученных. Поэтому при разработке сенсоров исследовательская группа решила не пытаться обнаружить сам патоген, а сосредоточиться на наблюдении за реакцией организма-хозяина на инфекцию. Вирусы и бактерии активируют различные звенья иммунной системы и разные типы клеток, что влияет в том числе и на активность протеаз.

Ученые собрали данные об экспрессии генов при респираторных инфекциях из 33 различных когорт и при помощи машинного обучения идентифицировали 39 протеаз, по-разному реагирующих на часто встречающиеся возбудители пневмонии. Эти данные они использовали для создания 20 различных наносенсоров протеаз, которые работали бы также на мышах.

Наносенсоры представляют собой наночастицы из полиэтиленгликоля, покрытые пептидами, содержащими различные сайты протеолиза. Каждый пептид помечен репортерной молекулой, которая высвобождается при расщеплении протеазами и в конечном итоге выводится с мочой. Сами наночастицы не могут быть выведены из организма полностью.

Исследователи протестировали сенсоры на пяти различных мышиных моделях пневмонии, вызванной бактериями Streptococcus pneumoniae, Klebsiella pneumoniae, Haemophilus influenzae, а также вирусами гриппа или пневмонии мышей. Через два часа после введения наночастиц они отбирали пробы мочи у мышей и анализировали при помощи масс-спектрометрии для того, чтобы понять, какие протеазы наиболее активны в легких при различных инфекциях. Потом при помощи машинного обучения авторы получили алгоритмы, которые отличали протеазные сигнатуры мышей с пневмонией от здоровых, а также различали, была ли пневмония вирусной или бактериальной. С помощью наносенсоров можно также узнать, какой патоген был причиной пневмонии, но с меньшей точностью.

Исследователи надеются, что в будущем станет возможно обнаруживать протеазные сигнатуры с помощью бумажной хроматографии, аналогично тесту на беременность. Для этого они выбрали пять перспективных сенсоров, с помощью которых авторы собираются сделать наборы для тестирования на протеазы на дому пациента.

Таким образом, ученые разработали способ тестирования на патогены, принципиально отличающийся от существовавших ранее. Однако остается неясно, будет ли разработанная ими панель работать так же хорошо на людях, как и на мышах.