Nei casi di polmonite, la rapidità della diagnosi è fondamentale. All’origine della malattia possono esserci una varietà di patogeni, sia batteri che virus, ma solo nel caso di infezione batterica, i medici possono decidere di somministrare gli antibiotici. La tecnologia a base di nanoparticelle realizzata dai ricercatori del MIT (Massachussetts Institute of Technology) permette non solo di distinguere tra polmonite batterica e virale, ma anche di monitorare l’efficacia del trattamento. Tutto questo da un semplice test dell’urina.
Nanotecnologie e biosensori
Un biosensore è un dispositivo analitico in grado di misurare un’attività biologica, come l’interazione di un enzima col proprio substrato. Il biosensore contiene quindi un elemento biologicamente attivo, che interagendo col substrato da misurare produce una reazione quantificabile.
La nanotecnologia è la branca della scienza che studia la materia su scale dimensionali inferiori al nanometro, un miliardesimo di metro. La possibilità di maneggiare materiali e dispositivi sempre più piccoli ha rivoluzionato il settore dei biosensori. Le nanoparticelle di cui parleremo tra poco sono dei veri e propri sensori in miniatura, in grado di raggiungere distretti del nostro corpo inaccessibili alle tecnologie tradizionali e di registrare precise attività biologiche, in un modo che possiamo facilmente misurare.
Come funzionano le nanoparticelle?
Le nanoparticelle, costituite da uno scheletro di glicole polietilenico (PEG), vengono coniugate con specifici peptidi che ricoprono interamente la loro superficie.
Nanoparticelle ricoperte di peptidi sono lo strumento ideale per misurare un’attività proteasica. Le proteasi sono enzimi che catalizzano la rottura del legame peptidico tra gli amminoacidi che compongono la catena proteica. Ogni proteasi ha una certa specificità: benché il legame peptidico sia lo stesso, le catene laterali, che costituiscono il “corpo” dell’amminoacido, sono variabili. Diverse proteasi prediligono catene laterali diverse, e quindi, usando i peptidi giusti, possiamo registrare l’attività di proteasi specifiche. Come?
È molto semplice. La nostra nanoparticella raggiunge il bersaglio; le proteasi risiedenti nel tessuto tagliano i peptidi immobilizzati sulla sua superficie e i loro resti vengono eliminati per mezzo delle urine. Da un banale test dell’urina possiamo quindi misurare la presenza nel sito di interesse di determinate proteasi.
Le applicazioni: dai tumori alle infezioni
Esistono molti tipi di proteasi. Non solo organismi diversi esprimono proteasi diverse, ma anche cellule o tessuti in uno stesso organismo possono differenziarsi per una maggiore o minore attività proteasica e per il tipo di enzima presente: sono circa 500 le proteasi umane, ognuna con la propria specificità. È proprio vero: dimmi quale proteasi usi e ti dirò chi sei!
Il gruppo di ricercatori del MIT si dedica già da anni allo studio di nanosensori basati su questo principio. Avevano precedentemente realizzato nanoparticelle per la diagnosi precoce del cancro, usando peptidi riconosciuti da proteasi espresse specificatamente nel tessuto tumorale. Il sistema funziona e potrebbe essere esteso a tumori particolarmente ostici da identificare precocemente con i metodi tradizionali, come quello alle ovaie. Ma gli scienziati si stanno concentrando anche sulla diagnosi delle infezioni, e in particolare della polmonite batterica.
Polmonite batterica o virale?
Per rispondere a questa domanda, i test tradizionali impiegano anche dei giorni, poiché si basano sulla coltura del muco espulso dal paziente per verificare che risultino o meno batteri. Con le nanoparticelle, invece, è tutto molto più rapido. I ricercatori hanno iniziato con una specie chiamata Pseudomonas aureuginosa, una causa comune della polmonite batterica. Il microbo esprime una proteasi chiamata LasA: è bastato quindi realizzare nanoparticelle ricoperte da peptidi riconosciuti da LasA e analizzare le urine dei pazienti per la presenza di frammenti peptidici.
Ma non è l’unica applicazione. I nanosensori possono essere usati anche per monitorare lo stato di infiammazione, che correla con l’efficacia del trattamento antibiotico. In questo caso, la proteasi bersaglio era l’elastasi, espressa specificatamente da alcune cellule immunitarie chiamate neutrofili, responsabili dello stato infiammatorio. L’ideale sarebbe combinare i due tipi di nanoparticelle per individuare allo stesso tempo i batteri e i neutrofili presenti nel polmone: così avremmo una visione diretta di quello che succede e sapremmo se il nostro antibiotico sta funzionando o meno. Se c’è infiammazione e i batteri diminuiscono è un buon segno; al contrario, se l’infiammazione persiste ma i batteri rimangono uguali, probabilmente la cura non sta funzionando.
I sensori basati sulle nanoparticelle possono veramente aiutare i medici a prendere decisioni importanti, come quella di somministrare un antibiotico, in tempo rapidi e basandosi su elementi più concreti rispetto alla sola analisi dei sintomi. La tecnologia potrebbe fornire uno strumento diagnostico molto preciso per una varietà di infezioni e tumori.
Fonte:
Colin G. Buss, et al. Protease activity sensors noninvasively classify bacterial infections and antibiotic responses. EBioMedicine 38 (2018) 248–256
