肺炎可由許多不同類型的細菌和病毒引起，但沒有簡單的方法來確定哪種微生物引起了某個特定病人的疾病。這種不確定性使醫生更難選擇有效的治療方法，因為通常用於治療細菌性肺炎的抗生素對病毒性肺炎患者沒有幫助。此外，限制抗生素的使用是遏制抗生素耐藥性的一個重要步驟。
麻省理工學院(MIT)的研究人員現在設計了一種能夠區分病毒性和細菌性肺炎感染的傳感器，他們希望這將有助於醫生選擇適當的治療方法。
“挑戰在於，有很多不同的病原體可以導致不同種類的肺炎，即使有最廣泛和最先進的測試，在約一半的病人中也不能確定導致某人疾病的具體病原體。如果你用抗生素治療病毒性肺炎，那麼你可能會助長抗生素的耐藥性，這是一個大問題，並且病人也不會好轉，”MIT健康科學與技術和電子工程與計算機科學的John和Dorothy Wilson教授及MIT科赫綜合癌症研究所和醫學工程與科學研究所的成員Sangeeta Bhatia說道。
研究人員表示，他們的傳感器在對小鼠的研究中可以在兩小時內準確區分細菌性和病毒性肺炎，並使用簡單的尿液測試來讀取結果。
Bhatia是這項研究的論文第一作者，該研究於當地時間6月13日發表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。
感染的特徵
難以區分病毒性和細菌性肺炎的一個原因是，有如此多的微生物可以引起肺炎，其中包括肺炎鏈球菌和流感嗜血桿菌及流感和呼吸道合胞病毒(RSV)等病毒。
在設計傳感器時，研究小組決定將重點放在測量宿主對感染的反應上，而不是試圖檢測病原體本身。病毒和細菌感染引發的是不同類型的免疫反應，其中包括被稱為蛋白酶的酶的激活，而這些酶可以分解蛋白質。MIT的團隊發現，這些酶的活動模式可以作為細菌或病毒感染的標誌。
人類基因組編碼了500多種蛋白酶，其中許多被應對感染的細胞使用，包括T細胞、中性粒細胞和自然殺傷細胞(NK)。由斯坦福大學醫學和生物醫學數據科學副教授、該論文作者之一Purvesh Khatri領導的團隊收集了33個公開的呼吸道感染期間表達的基因數據集。通過分析這些數據，Khatri能確定39種似乎對不同類型的感染有着不同反應的蛋白酶。
Batia和她的學生隨後利用這些數據創建了20個不同的傳感器，從而可以跟這些蛋白酶互動。這些傳感器由塗有可被特定蛋白酶裂解的肽的納米粒子組成。每個肽都被標記了一個報告分子，當肽被感染中上調的蛋白酶裂解時，報告分子被釋放出來。這些報告分子最終會在尿液中排出，然後可以用質譜法分析尿液以確定哪些蛋白酶在肺部最活躍。
研究人員在五種不同的小鼠肺炎模型中測試了他們的傳感器，這些模型由肺炎鏈球菌、肺炎克雷伯氏菌、流感嗜血桿菌、流感病毒和小鼠肺炎病毒的感染引起。
在讀出尿液測試的結果后，研究人員使用機器學習來分析這些數據。通過使用這種方法，他們能夠訓練出能區分肺炎跟健康對照組的算法，另外還能根據這20個傳感器區分出感染是病毒還是細菌。
研究人員還發現，他們的傳感器可以區分他們測試的五種病原體，但準確率低於區分病毒和細菌的測試。研究人員可能追求的一種可能性是開發出不僅能區分細菌和病毒感染而且還能識別導致細菌感染的微生物類別的算法，這可以幫助醫生選擇最佳的抗生素來打擊該類型的細菌。
基於尿液的讀數也適合未來用紙條進行檢測–類似於懷孕測試，這將允許進行醫療點診斷。為此，研究人員確定了五個傳感器的子集，這些傳感器可以使家庭檢測變得更加觸手可及。然而由於人類比小鼠有更多的遺傳和臨床變異性，所以還需要做更多的工作來確定減少后的小組是否會在人類中發揮同樣的作用。
反應的模式
研究人員還在研究中確定了宿主對不同類型感染的一些反應模式。在患有細菌感染的小鼠中，中性粒細胞分泌的蛋白酶更為突出，這是預料之中的，因為中性粒細胞對細菌感染的反應往往多於病毒感染。
而另一方面，病毒感染激起了T細胞和NK細胞的蛋白酶活性，它們通常對病毒感染反應更大。產生最強信號的傳感器之一跟一種叫做顆粒酶B的蛋白酶有關，它能觸發程序性細胞死亡。研究人員發現，這種傳感器在病毒感染的小鼠肺部被高度激活，並且NK和T細胞都參與了這種反應。
為了給小鼠提供傳感器，研究人員將它們直接注射到氣管中，但他們現在正在開發供人類使用的版本，其可以使用霧化器或類似於哮喘吸入器的吸入器進行治療。此外，他們還在研究一種使用呼氣式酒精檢測儀而非尿液檢測的方法，這樣可以更快得到結果。