En utilisant des nanoparticules spécialisées, Les ingénieurs du MIT ont développé un moyen de surveiller la pneumonie ou d'autres maladies pulmonaires en analysant le souffle expiré par le patient.

Dans une étude sur des souris, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient utiliser ce système pour surveiller la pneumonie bactérienne, ainsi qu'un trouble génétique des poumons appelé déficit en alpha-1 antitrypsine.

"Nous envisageons que cette technologie vous permettrait d'inhaler un capteur, puis d'expirer un gaz volatil en environ 10 minutes qui indique l'état de vos poumons et si les médicaments que vous prenez fonctionnent, " dit Sangeeta Bhatia, le professeur John et Dorothy Wilson de sciences et technologies de la santé, de génie électrique et d'informatique au MIT.

Davantage de tests de sécurité seraient nécessaires avant que cette approche puisse être utilisée chez l'homme, mais dans l'étude sur la souris, aucun signe de toxicité dans les poumons n'a été observé.

Bhatia, qui est également membre du Koch Institute for Integrative Cancer Research du MIT et de l'Institute for Medical Engineering and Science, est l'auteur principal de l'article, qui apparaît aujourd'hui dans Nature Nanotechnologie . Le premier auteur de l'article est le postdoctorant senior du MIT Leslie Chan. Les autres auteurs sont Melodi Anahtar, étudiante diplômée du MIT, Ta-Hsuan Ong, membre du personnel technique du MIT Lincoln Laboratory, Assistante technique MIT Kelsey Hern, et le chef de groupe associé du Lincoln Laboratory, Roderick Kunz.

Surveillance de la respiration

Pour plusieurs années, Le laboratoire de Bhatia a travaillé sur des capteurs de nanoparticules qui peuvent être utilisés comme « biomarqueurs synthétiques ». Ces marqueurs sont des peptides qui ne sont pas produits naturellement par l'organisme mais qui sont libérés par les nanoparticules lorsqu'ils rencontrent des protéines appelées protéases.

Les peptides recouvrant les nanoparticules peuvent être personnalisés afin qu'ils soient clivés par différentes protéases liées à diverses maladies. Si un peptide est clivé de la nanoparticule par des protéases dans le corps du patient, il est ensuite excrété dans l'urine, où il peut être détecté avec une bande de papier semblable à un test de grossesse. Bhatia a développé ce type de test urinaire pour la pneumonie, cancer des ovaires, cancer du poumon, et d'autres maladies.

Plus récemment, elle a tourné son attention vers le développement de biomarqueurs qui pourraient être détectés dans l'haleine plutôt que dans l'urine. Cela permettrait d'obtenir plus rapidement les résultats des tests, et il évite également la difficulté potentielle d'avoir à acquérir un échantillon d'urine de patients qui pourraient être déshydratés, dit Bhatia.

Elle et son équipe ont réalisé qu'en modifiant chimiquement les peptides attachés aux nanoparticules synthétiques, ils pourraient permettre aux particules de libérer des gaz appelés hydrofluoroamines qui pourraient être exhalés dans l'haleine. Les chercheurs ont attaché des molécules volatiles à l'extrémité des peptides de telle manière que lorsque les protéases clivent les peptides, ils sont libérés dans l'air sous forme de gaz.

Travailler avec Kunz et Ong au Lincoln Laboratory, Bhatia et son équipe ont mis au point une méthode pour détecter le gaz de l'haleine à l'aide de la spectrométrie de masse. Les chercheurs ont ensuite testé les capteurs dans des modèles murins de deux maladies :la pneumonie bactérienne causée par Pseudomonas aeruginosa, et un déficit en alpha-1antitrypsine. Au cours de ces deux maladies, les cellules immunitaires activées produisent une protéase appelée élastase des neutrophiles, qui provoque une inflammation.

Pour ces deux maladies, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient détecter l'activité de l'élastase des neutrophiles en 10 minutes environ. Dans ces études, les chercheurs ont utilisé des nanoparticules injectées par voie intratrachéale, mais ils travaillent également sur une version qui pourrait être inhalée avec un appareil similaire aux inhalateurs utilisés pour traiter l'asthme.

Détection intelligente

Les chercheurs ont également démontré qu'ils pouvaient utiliser leurs capteurs pour surveiller l'efficacité du traitement médicamenteux de la pneumonie et du déficit en alpha-1 antitrypsine. Le laboratoire de Bhatia travaille actuellement à la conception de nouveaux dispositifs de détection des capteurs expirés qui pourraient les rendre plus faciles à utiliser, pouvant même permettre aux patients de les utiliser à la maison.

"En ce moment, nous utilisons la spectrométrie de masse comme détecteur, mais dans la prochaine génération, nous avons réfléchi à la possibilité de fabriquer un miroir intelligent, où tu respires sur le miroir, ou faire quelque chose qui fonctionnerait comme un alcootest de voiture, " dit Bhatia.

Son laboratoire travaille également sur des capteurs qui pourraient détecter plus d'un type de protéase à la fois. De tels capteurs pourraient être conçus pour révéler la présence de protéases associées à des agents pathogènes spécifiques, y compris peut-être le virus SARS-CoV-2.