Biomarcadores exhalados: revelan enfermedad.

Las nanopartículas especializadas crean una "señal de aliento" que podría utilizarse para diagnosticar neumonía y otras enfermedades infecciosas o genéticas.

Utilizando nanopartículas especializadas, los ingenieros del MIT han desarrollado una forma de controlar la neumonía u otras enfermedades pulmonares mediante el análisis de la respiración exhalada 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.

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

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

Bhatia, que también es miembro del Instituto Koch de Investigación Integrativa del Cáncer del MIT y del Instituto de Ingeniería Médica y Ciencia, es el autor principal del artículo, que aparece hoy en Nature Nanotechnology. El primer autor del artículo es Leslie Chan, postdoctorado sénior del MIT. Otros autores son el estudiante de posgrado del MIT Melodi Anahtar, el miembro del personal técnico del Laboratorio Lincoln del MIT Ta-Hsuan Ong, el asistente técnico del MIT Kelsey Hern y el líder del grupo asociado del Laboratorio Lincoln Roderick Kunz.

Monitorización de la respiración

Durante varios años, el laboratorio de Bhatia ha estado trabajando en sensores de nanopartículas que se pueden utilizar como "biomarcadores sintéticos". Estos marcadores son péptidos que no son producidos naturalmente por el cuerpo, pero se liberan de nanopartículas cuando se encuentran con proteínas llamadas proteasas.

Los péptidos que recubren las nanopartículas se pueden personalizar para que sean cortados por diferentes proteasas que están vinculadas a una variedad de enfermedades. Si un péptido es cortado de la nanopartícula por proteasas en el cuerpo del paciente, más tarde 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 prueba de orina para neumonía, cáncer de ovario, cáncer de pulmón y otras enfermedades. 

Más recientemente, centró su atención en el desarrollo de biomarcadores que pudieran detectarse en la respiración 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 podrían estar deshidratados, dice Bhatia.

Ella y su equipo se dieron cuenta de que al modificar químicamente los péptidos unidos a las nanopartículas sintéticas, podrían permitir que las partículas liberaran gases llamados hidrofluoroaminas que podían ser exhaladas en la respiración. Los investigadores unieron moléculas volátiles al final de los péptidos de tal manera que cuando las proteasas cortan los péptidos, se liberan al aire como un gas.

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

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

Detección inteligente

Los investigadores también demostraron que podían utilizar sus sensores para controlar la eficacia del tratamiento farmacológico tanto para la neumonía como para la deficiencia de alfa-1 antitripsina. El laboratorio de Bhatia está trabajando ahora en el diseño de nuevos dispositivos para detectar los sensores exhalados que podrían hacerlos más fáciles de usar, potencialmente incluso permitiendo a los pacientes usarlos en casa.

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

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

La investigación fue financiada por una subvención de la Global Health Innovation Partnership de la Fundación Bill y Melinda Gates; Hospital General de Massachusetts; el Instituto Ragon de MGH, MIT y Harvard; Investigación y Desarrollo de Janssen; y el Fondo de Investigación del Cáncer de Mármol Kathy y Curt.

Source: MIT

Escritor de Letras.