De nombreux types différents de bactéries et de virus peuvent provoquer une pneumonie, mais il n'existe aucun moyen facile de déterminer quel microbe est à l'origine de la maladie d'un patient particulier. Cette incertitude rend plus difficile pour les médecins de choisir des traitements efficaces car les antibiotiques couramment utilisés pour traiter la pneumonie bactérienne n'aideront pas les patients atteints de pneumonie virale. En outre, la limitation de l'utilisation des antibiotiques est une étape importante vers la réduction de la résistance aux antibiotiques.

Les chercheurs du MIT ont maintenant conçu un capteur capable de faire la distinction entre les pneumonies virales et bactériennes, ce qui, espèrent-ils, aidera les médecins à choisir le traitement approprié.

"Le défi est qu'il existe de nombreux agents pathogènes différents qui peuvent entraîner différents types de pneumonie, et même avec les tests les plus étendus et les plus avancés, l'agent pathogène spécifique à l'origine de la maladie d'une personne ne peut pas être identifié chez environ la moitié des patients. Et si vous traitez une pneumonie virale avec des antibiotiques, alors vous pourriez contribuer à la résistance aux antibiotiques, qui est un gros problème, et le patient ne s'en remettra pas », déclare Sangeeta Bhatia, professeur John et Dorothy Wilson de sciences et technologies de la santé et de Génie électrique et informatique au MIT et membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research et Institute for Medical Engineering and Science du MIT.

Dans une étude sur des souris, les chercheurs ont montré que leurs capteurs pouvaient distinguer avec précision la pneumonie bactérienne et virale en deux heures, en utilisant un simple test d'urine pour lire les résultats.

Bhatia est l'auteur principal de l'étude, qui apparaît cette semaine dans les Actes de l'Académie nationale des sciences . Melodi Anahtar '16, Ph.D. '22 est l'auteur principal de l'article.

Signatures d'infection

L'une des raisons pour lesquelles il a été difficile de faire la distinction entre la pneumonie virale et bactérienne est qu'il y a tellement de microbes qui peuvent provoquer une pneumonie, y compris la bactérie Streptococcus pneumoniae et Haemophilus influenzae , et des virus tels que la grippe et le virus respiratoire syncytial (VRS).

Lors de la conception de leur capteur, l'équipe de recherche a décidé de se concentrer sur la mesure de la réponse de l'hôte à l'infection, plutôt que d'essayer de détecter l'agent pathogène lui-même. Les infections virales et bactériennes provoquent des types distincts de réponses immunitaires, notamment l'activation d'enzymes appelées protéases, qui décomposent les protéines. L'équipe du MIT a découvert que le modèle d'activité de ces enzymes peut servir de signature d'une infection bactérienne ou virale.

Le génome humain code pour plus de 500 protéases, et nombre d'entre elles sont utilisées par les cellules qui répondent à l'infection, notamment les lymphocytes T, les neutrophiles et les cellules tueuses naturelles (NK). Une équipe dirigée par Purvesh Khatri, professeur agrégé de médecine et de science des données biomédicales à l'Université de Stanford et l'un des auteurs de l'article, a recueilli 33 ensembles de données accessibles au public sur les gènes exprimés lors d'infections respiratoires. En analysant ces données, Khatri a pu identifier 39 protéases qui semblent réagir différemment à différents types d'infection.

Bhatia et ses étudiants ont ensuite utilisé ces données pour créer 20 capteurs différents qui peuvent interagir avec ces protéases. Les capteurs sont constitués de nanoparticules recouvertes de peptides pouvant être clivés par des protéases particulières. Chaque peptide est marqué avec une molécule rapporteur qui est libérée lorsque les peptides sont clivés par des protéases qui sont régulées positivement lors d'une infection. Ces rapporteurs sont finalement excrétés dans l'urine. L'urine peut ensuite être analysée par spectrométrie de masse pour déterminer quelles protéases sont les plus actives dans les poumons.

Les chercheurs ont testé leurs capteurs dans cinq modèles murins différents de pneumonie, causée par des infections à Streptococcus pneumoniae , Klebsiella pneumoniae , Haemophilus influenzae , le virus de la grippe et le virus de la pneumonie des souris.

Après avoir lu les résultats des tests d'urine, les chercheurs ont utilisé l'apprentissage automatique pour analyser les données. En utilisant cette approche, ils ont pu former des algorithmes capables de différencier la pneumonie des témoins sains, et également de distinguer si une infection était virale ou bactérienne, sur la base de ces 20 capteurs.

Les chercheurs ont également découvert que leurs capteurs pouvaient faire la distinction entre les cinq agents pathogènes qu'ils ont testés, mais avec une précision inférieure à celle du test pour faire la distinction entre les virus et les bactéries. Une possibilité que les chercheurs pourraient poursuivre est de développer des algorithmes qui peuvent non seulement distinguer les infections bactériennes des infections virales, mais également identifier la classe de microbes provoquant une infection bactérienne, ce qui pourrait aider les médecins à choisir le meilleur antibiotique pour combattre ce type de bactérie.

La lecture basée sur l'urine se prête également à une détection future avec une bande de papier, similaire à un test de grossesse, ce qui permettrait un diagnostic au point de service. À cette fin, les chercheurs ont identifié un sous-ensemble de cinq capteurs qui pourraient rapprocher les tests à domicile. Cependant, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour déterminer si le panel réduit fonctionnerait aussi bien chez l'homme, qui présente une plus grande variabilité génétique et clinique que la souris.

Modèles de réponse

Dans leur étude, les chercheurs ont également identifié certains modèles de réponse de l'hôte à différents types d'infection. Chez les souris atteintes d'infections bactériennes, les protéases sécrétées par les neutrophiles ont été observées plus en évidence, ce qui était attendu car les neutrophiles ont tendance à répondre davantage aux infections bactériennes qu'aux infections virales.

Les infections virales, en revanche, ont provoqué une activité protéasique des cellules T et des cellules NK, qui répondent généralement davantage aux infections virales. L'un des capteurs qui a généré le signal le plus fort était lié à une protéase appelée granzyme B, qui déclenche la mort cellulaire programmée. Les chercheurs ont découvert que ce capteur était fortement activé dans les poumons de souris atteintes d'infections virales et que les cellules NK et T étaient impliquées dans la réponse.

Pour délivrer les capteurs aux souris, les chercheurs les ont injectés directement dans la trachée, mais ils développent actuellement des versions à usage humain qui pourraient être administrées à l'aide d'un nébuliseur ou d'un inhalateur similaire à un inhalateur pour l'asthme. Ils travaillent également sur un moyen de détecter les résultats en utilisant un alcootest au lieu d'un test d'urine, ce qui pourrait donner des résultats encore plus rapidement. + Explorer plus loin

Avec ces nanoparticules, un simple test d'urine pourrait diagnostiquer une pneumonie bactérienne