麻省理工学院的工程师使用专门的纳米粒子开发了一种方法，通过分析患者呼出的呼气来监测或其他肺部疾病。在对小鼠的一项研究中，研究人员表明他们可以使用该系统来监测细菌性，以及称为 α-1 抗胰蛋白酶缺乏症的肺部遗传疾病。

“我们设想这项技术可以让你吸入一个传感器，然后在大约 10 分钟内呼出一种挥发性气体，它会报告你的肺部状态以及你正在服用的药物是否有效，”约翰·桑吉塔·巴蒂亚 (Sangeeta Bhatia) 说。麻省理工学院健康科学与技术以及电气工程和计算机科学的多萝西威尔逊教授。

更多的 在将这种方法用于人类之前，还需要进行安全测试，但在小鼠研究中，没有观察到肺部毒性迹象。

Bhatia 也是麻省理工学院科赫综合癌症研究所和医学工程与科学研究所的成员，是该论文的高级作者，该论文今天发表于 Nature Nanotechnology 上。该论文的第一作者是麻省理工学院高级博士后Leslie Chan。其他作者是麻省理工学院研究生 Melodi Anahtar、麻省理工学院林肯实验室技术人员 Ta-Hsuan Ong、麻省理工学院技术助理 Kelsey Hern 和林肯实验室副组长 Roderick Kunz。

监测呼吸

几年来，Bhatia 的实验室一直致力于研究可用作“合成生物标志物”的纳米颗粒传感器。这些标记物是不是由身体自然产生的肽，而是当它们遇到称为蛋白酶的蛋白质时从纳米颗粒中释放出来的。

可以定制包覆纳米颗粒的肽，以便它们被与多种疾病相关的不同蛋白酶切割。如果患者体内的蛋白酶从纳米颗粒上切割出肽，它随后会随尿液排出体外，在那里可以用类似于妊娠试验的纸条进行检测。Bhatia 开发了这种尿液检测方法，用于检测、卵巢癌、肺癌和其他疾病。

最近，她将注意力转向开发可以在呼吸中而不是尿液中检测到的生物标志物。Bhatia 说，这将允许更快地获得测试结果，并且还避免了必须从可能脱水的患者身上获取尿液样本的潜在困难。

她和她的团队意识到，通过对附着在合成纳米颗粒上的肽进行化学修饰，他们可以使颗粒释放称为氢氟胺的气体，这些气体可以在呼吸中呼出。研究人员将挥发性分子附着在肽的末端，这样当蛋白酶切割肽时，它们就会以气体的形式释放到空气中。

Bhatia 和她的团队与林肯实验室的 Kunz 和 Ong 合作，设计了一种使用质谱法检测呼气中气体的方法。研究人员随后在两种疾病的小鼠模型中测试了传感器——铜绿假单胞菌引起的细菌性和 α-1 抗胰蛋白酶缺乏症。在这两种疾病中，激活的免疫细胞会产生一种称为中性粒细胞弹性蛋白酶的蛋白酶，它会引起炎症。

对于这两种疾病，研究人员表明他们可以在大约 10 分钟内检测到中性粒细胞弹性蛋白酶活性。在这些研究中，研究人员使用气管内注射的纳米颗粒，但他们也在研究一种可以用类似于用于治疗哮喘的吸入器的装置吸入的版本。

智能检测

研究人员还证明，他们可以使用他们的传感器来监测药物治疗对和 α-1 抗胰蛋白酶缺乏症的有效性。Bhatia 的实验室现在正致力于设计用于检测呼出传感器的新设备，这些设备可以使它们更易于使用，甚至可能允许患者在家中使用它们。

“现在我们正在使用质谱作为检测器，但在下一代我们一直在考虑我们是否可以制造一个智能镜子，你可以在镜子上呼吸，或者制造一些像汽车呼气分析仪一样工作的东西， “巴蒂亚说。

她的实验室还在研究可以同时检测一种以上蛋白酶的传感器。此类传感器可用于揭示与特定病原体(可能包括 SARS-CoV-2 病毒)相关的蛋白酶的存在。