Nat Nanotechnol：开发出可吸入的合成生物标志物，用于检测呼吸系统疾病

2020年8月1日讯/生物谷BIOON/---在一项新的针对小鼠的研究中，通过使用特殊的纳米颗粒，来自美国麻省理工学院的研究人员开发出一种通过分析患者的呼气来监测细菌性肺炎或α-1抗胰蛋白酶缺乏症等其他肺部疾病的方法。相关研究结果近期发表在Nature Nanotechnology期刊上，论文标题为“Engineering synthetic breath

2020年8月1日讯/生物谷BIOON/---在一项新的针对小鼠的研究中，通过使用特殊的纳米颗粒，来自美国麻省理工学院的研究人员开发出一种通过分析患者的呼气来监测细菌性肺炎或α-1抗胰蛋白酶缺乏症等其他肺部疾病的方法。相关研究结果近期发表在Nature Nanotechnology期刊上，论文标题为“Engineering synthetic breath biomarkers for respiratory disease”。
图片来自CC0 Public Domain。
论文通讯作者、麻省理工学院电气工程与计算机科学系教授Sangeeta Bhatia说，“我们设想这项技术将允许你吸入一种纳米颗粒传感器，然后在大约10分钟内呼出挥发性气体，它就会报告你的肺部状况和你所服用的药物是否有效。”

在这种方法可以用于人类之前，还需要更多的安全测试，但在小鼠研究中，没有观察到肺部毒性的迹象。

论文第一作者为麻省理工学院资深博士后研究员Leslie Chan。其他的论文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员Ta-Hsuan Ong、麻省理工学院技术助理Kelsey Hern和麻省理工学院林肯实验室副组长Roderick Kunz。

监测呼吸

几年来，Bhatia实验室一直在研究可用作“合成生物标志物（synthetic biomarker）”的纳米颗粒传感器，即包被着特定肽的纳米颗粒。这些标志物是人体不自然产生的肽，但当它们遇到称为蛋白酶的蛋白时，就会从纳米颗粒上释放出来。

涂覆在纳米颗粒上的肽可以被定制，以便它们被不同的与各种疾病有关的蛋白酶切割。如果肽被患者体内的蛋白酶从纳米颗粒上切割下来，随后就会在尿液中排出，在尿液中可以用类似妊娠测试的试纸条来检测。Bhatia已经开发出了这种类型的尿液测试，用于检测肺炎、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气中而不是尿液中检测的生物标志物。Bhatia说，这将使得测试结果更迅速地获得，而且还避免了必须从可能脱水的患者那里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，他们可以使得这些纳米颗粒释放出称为氢氟胺（hydrofluoroamine）的气体，这种气体可以在呼气中呼出。这些研究人员将挥发性分子以这样的方式连接到肽的末端，当蛋白酶裂解肽时，它们会以气体的形式释放到空气中。

Bhatia及其团队与麻省理工学院林肯实验室的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。这些研究人员随后在两种小鼠疾病（绿脓杆菌引起的细菌性肺炎和α-1抗胰蛋白酶缺乏症）模型中测试了这种纳米颗粒传感器。在这两种疾病期间，活化的免疫细胞会产生一种称为中性粒细胞弹性酶的蛋白酶（neutrophil elastase），从而引起炎症。

对于这两种疾病而言，这些研究人员发现他们可以在大约10分钟内检测到中性粒细胞弹性酶的活性。在研究中，他们使用了气管内注射的纳米颗粒，但他们也在研究一种可以通过类似于用于治疗哮喘的吸入器的可吸入的纳米颗粒版本。

智能检测

这些研究人员还证实，他们可以利用他们的纳米颗粒传感器来监测肺炎和α-1抗胰蛋白酶缺乏症的药物治疗效果。Bhatia实验室现在正致力于设计检测这些呼气传感器的新设备，使得它们更容易使用，甚至有可能让患者在家中使用。

Bhatia说，“如今，我们正在使用质谱仪作为检测器，但是在下一代检测器中，我们一直在考虑是否可以制造智能镜子，你在镜子上呼气，或者做一些像汽车呼气酒精测量仪（breathalyzer）一样的东西。”

她的实验室还在研究能够同时检测多种蛋白酶的传感器。这类传感器可以被设计成揭示与SARS-CoV-2病毒等特定病原体相关的蛋白酶是否存在。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

1.Leslie W. Chan et al. Engineering synthetic breath biomarkers for respiratory disease. Nature Nanotechnology, 2020, doi10.1038/s41565-020-0723-4.

2.Exhaled biomarkers can reveal lung disease
https://phys.org/news/2020-07-exhaled-biomarkers-reveal-lung-disease.html