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一款可以区分病毒性和细菌性肺炎感染的纳米粒子传感器

MEMS 来源:麦姆斯咨询 作者:麦姆斯咨询 2022-06-23 11:02 次阅读

很多不同类型的细菌和病毒都可能导致肺炎,但目前还没有简单易行的方法可以确定特定患者的疾病是由哪种微生物导致的。这种不确定性增大了医生选择有效治疗方法的难度,因为用于治疗细菌性肺炎的抗生素通常对病毒性肺炎患者没有帮助。此外,限制抗生素的滥用是遏制抗生素耐药性的至关重要的手段。

据麦姆斯咨询报道,近期,美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology,MIT)的研究人员设计了一款可以区分病毒性和细菌性肺炎感染的纳米粒子传感器,希望可以帮助医生选择合适的治疗方法。

“挑战在于,有许多不同的病原体可导致不同类型的肺炎,即使对患者进行最广泛和最先进的检测,也有50%的概率无法确定导致肺炎的特定病原体。如果患者用抗生素治疗病毒性肺炎,可能会导致抗生素耐药性,这是一个大问题,而且患者不会好转。”麻省理工学院卫生科学与技术学院和电气工程与计算机科学学院John & Dorothy Wilson讲席教授、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成员Sangeeta Bhatia说。

在一项对小鼠的研究中,麻省理工学院的研究人员证实了其开发的传感器可以在两小时内准确区分细菌性和病毒性肺炎,并且仅使用简单的尿液检测即可读取结果。这项研究成果于近期发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上,Bhatia是该研究的通讯作者,Melodi Anahtar博士是该论文的第一作者。

感染特征

难以区分病毒性肺炎和细菌性肺炎的一个原因是,有太多微生物可以引起肺炎,包括肺炎链球菌和流感嗜血杆菌,以及流感和呼吸道合胞病毒(RSV)等病毒。麻省理工学院研究人员在进行传感器设计时,决定专注于评估宿主对感染的反应,而不是试图检测病原体本身。病毒和细菌感染会引发不同类型的免疫反应,包括激活可以分解蛋白质的蛋白酶。研究人员发现,这些酶的活性模式可以作为细菌或病毒感染的标志。

人类基因组编码超过500种蛋白酶,其中许多是由包括T细胞、中性粒细胞和自然杀伤(NK)细胞等免疫细胞分泌。由美国斯坦福大学(Stanford University)医学和生物医学数据科学方向副教授、该论文的作者之一Purvesh Khatri领导的一个团队收集了33个公开可用的在呼吸道感染期间表达的基因数据集。通过分析这些数据,Khatri能够识别出39种蛋白酶,这些蛋白酶对不同类型的感染有不同的反应。

Bhatia和她的学生随后使用这些数据创建了20种不同的纳米粒子传感器,这些传感器可以与蛋白酶相互作用。传感器由涂有肽的纳米粒子组成,这些肽可以被特定的蛋白酶切割。每个肽都标记有报告分子,当肽被感染中上调的蛋白酶切割时,报告分子会释放出来,最终通过尿液排出体外。然后研究人员就可以用质谱分析尿液以确定哪些蛋白酶在肺中最活跃。

此外,研究人员分别设计了由肺炎链球菌、肺炎克雷伯菌、流感嗜血杆菌、流感病毒和小鼠肺炎病毒感染引起的五种不同的肺炎小鼠模型,并利用这些模型测试了开发的纳米粒子传感器。

在读出尿液检测的结果后,研究人员进一步使用机器学习来分析数据。使用这种方法,研究人员能够训练可以区分肺炎与健康对照样本的算法,并根据这20个纳米粒子传感器区分感染是由病毒还是细菌引发的。

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纳米粒子传感器利用宿主分泌的蛋白酶诊断肺炎的机制示意图

研究人员还发现,虽然他们开发的纳米粒子传感器可以区分所检测的五种病原体,但准确度低于对病毒和细菌的区分。研究人员希望能够开发一种算法,其不仅可以区分细菌和病毒感染,还可以识别导致细菌感染的微生物类别,这可以帮助医生选择最好的抗生素来对抗这种细菌。

此外,尿液检测也可以通过类似于妊娠试验的纸基测试条进行,从而具有实现即时诊断的潜力。为此,研究人员从开发出的传感器中选定了其中的五种,可以使家用检测更触手可及。然而,减少检测环节是否还能够在人体中进行有效诊断,这需要更多的工作来证实,因为人类比小鼠具有更多的遗传和临床变异性。

反应模式

另外,研究人员还确定了宿主对不同类型感染的一些特定反应模式。在患有细菌感染的小鼠中,中性粒细胞分泌的蛋白酶更为明显,这是意料之中的,因为中性粒细胞对细菌感染的反应比对病毒感染的反应更大。

另一方面,病毒感染会激发T细胞和NK细胞的蛋白酶活性,这些细胞通常对病毒感染反应更大。产生最强信号的纳米粒子传感器之一与一种叫做粒子酶B的蛋白酶有关,这种蛋白酶会触发程序性细胞死亡。研究人员发现,这种传感器在病毒感染小鼠的肺部被高度激活,并且NK和T细胞都参与了反应过程。

为了将这种纳米粒子传感器顺利放置到小鼠体内,研究人员将传感器直接注射到小鼠气管中,与此同时,研究人员现在正在开发供人类使用的版本,可以使用雾化器或类似于哮喘吸入器来实现传感器传送。他们还在研究一种使用呼气酒精检测器代替尿检来检测结果的方法,这可以更快地给出结果。

这项研究的部分资金来自比尔和梅琳达·盖茨基金会(Bill and Melinda Gates Foundation)、杨森研发(Janssen Research and Development)、国家癌症研究所的科赫研究所支持(核心)赠款(Koch Institute Support(core)Grant from the National Cancer Institute),以及国家环境健康科学研究所(National Institute of Environmental Health Sciences)。

论文链接:
https://doi.org/10.1073/pnas.2121778119

审核编辑 :李倩

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    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 5 针连接器 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 4 – 30 零加速输出 (mV): ±50 信号特征 频率响应 (Hz): 0-1500 主体特性 轴数 : 1 重量 : 16 g [ .56 oz ] 材料 : 不锈钢 ...
    发表于 08-21 01:00 76次 阅读

    2350437-1 2350437-1 角度位置传感器 - 空心轴旋转变压器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  结构特性 Resolver Size : 21 Pole Pairs : 1 其他 Angular Error ('): 20
    发表于 08-21 01:00 107次 阅读

    315-120 315-120 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
    发表于 08-21 01:00 92次 阅读

    10207854-00 341A-240 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
    发表于 08-21 01:00 102次 阅读

    4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-300 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
    发表于 08-21 01:00 128次 阅读

    4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-800 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
    发表于 08-21 01:00 128次 阅读

    603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 20.8 x 20.8 x 14.5 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 100...
    发表于 08-21 01:00 88次 阅读

    20010631-00 610-12K-276 速率和惯性传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 14.6 x 10.2 x 7.6 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 12000...
    发表于 08-21 01:00 78次 阅读

    62105012-000 62105012-000 位置传感器配套仪表

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线路电源电压要求 (VDC): ±12, ±15 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型 (VDC): ±10 励磁电压 (Vrms): 3 信号特征 励磁频率 (kHz): 2.5 – 10 机械附件 信号调节 - LVDT/RVDT 安装 : Printed Circuit Board Edge or Terminal Block 使用环境 工作温度范围 : -1 – 55 °C [ 30 – 130 °F ] 其他 传感器类型 : 带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT 传感器通道 : 1 ...
    发表于 08-21 01:00 90次 阅读

    67010001-000 67010001-000 线性位移传感器 - LVDT

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  使用环境 工作温度范围 : 5 – 60 °C [ 41 – 140 °F ]
    发表于 08-21 01:00 96次 阅读

    7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : IEPE 即插即用加速度计传感器类型 : 交流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 10-32 同轴连接器 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±5 励磁电压 (VDC): 18 – 30 励磁电流 (mA): 2 – 10 信号特征 频率响应 (Hz): 0.3-10000 主体特性 轴数 : 1 重量 : 8.6 g [ .303 oz ] 材料 : 不锈钢 ...
    发表于 08-21 01:00 65次 阅读

    72162000-020 72162000-020 倾角传感器和倾角仪

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  结构特性 接口 : 模拟 电气特征 电源电压 (VDC): 12 – 24 模拟接口 (mA): 4 – 20 端接特性 倾角传感器和测斜仪安装 : 垂直 尺寸 尺寸 (mm): 最多 70 倾角传感器和测斜仪精确度 (°): 最多 +/- .5 分辨率 (°): 最多 +/- .01 使用环境 测量原理 : 液体 工作温度范围 : -25 – 60 °C [ -13 – 140 °F ] 包装特性 倾...
    发表于 08-21 01:00 63次 阅读

    11106140-00 AST4300A05000P4P1000 压力传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 非易燃压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 10 英尺导管 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 压力 : 344.73 bar [ 5000 psi ] 工作温度范围 : -40 – 80 °C [ -40 – 176 °F ] 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
    发表于 08-21 01:00 153次 阅读

    11108715-00 AST4600A02000P4W1000 压力传感器

    看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 防爆型压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 导管 2 m 引线 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 工作温度范围 (°C): -40 – 85 工作温度范围 (°F): -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
    发表于 08-21 01:00 79次 阅读