Los investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han diseñado un sensor capaz de distinguir entre las infecciones por neumonía vírica y bacteriana, lo que esperan que ayude a los médicos a elegir el tratamiento adecuado, según publican en la revista 'Proceedings of the National Academy of Sciences'.
Muchos tipos diferentes de bacterias y virus pueden causar neumonía, pero no hay una manera fácil de determinar qué microbio está causando la enfermedad de un paciente en particular. Esta incertidumbre dificulta la elección de tratamientos eficaces por parte de los médicos, ya que los antibióticos utilizados habitualmente para tratar la neumonía bacteriana no ayudan a los pacientes con neumonía vírica. Además, limitar el uso de antibióticos es un paso importante para frenar la resistencia a los mismos.
"El reto es que hay muchos patógenos diferentes que pueden provocar distintos tipos de neumonía, e incluso con las pruebas más exhaustivas y avanzadas, no se puede identificar el patógeno específico que causa la enfermedad de alguien en aproximadamente la mitad de los pacientes. Y si se trata una neumonía vírica con antibióticos, se podría contribuir a la resistencia a los antibióticos, que es un gran problema, y el paciente no mejorará", afirma Sangeeta Bhatia, catedrática John y Dorothy Wilson de Ciencias de la Salud y Tecnología y de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT y miembro del Instituto Koch de Investigación Integral del Cáncer y del Instituto de Ingeniería y Ciencias Médicas del MIT.
En un estudio con ratones, los investigadores demostraron que sus sensores podían distinguir con precisión la neumonía bacteriana y la vírica en un plazo de dos horas, utilizando un sencillo análisis de orina para leer los resultados.
Una de las razones por las que ha sido difícil distinguir entre la neumonía viral y la bacteriana es que hay muchos microbios que pueden causar neumonía, incluidas las bacterias 'Streptococcus pneumoniae' y Haemophilus influenzae, y virus como el de la gripe y el virus respiratorio sincitial (VRS).
"El reto es que hay muchos patógenos diferentes que pueden provocar distintos tipos de neumonía, e incluso con las pruebas más exhaustivas y avanzadas, no se puede identificar el patógeno específico"
Al diseñar su sensor, el equipo de investigación decidió centrarse en medir la respuesta del huésped a la infección, en lugar de intentar detectar el propio patógeno. Las infecciones víricas y bacterianas provocan distintos tipos de respuestas inmunitarias, que incluyen la activación de unas enzimas llamadas proteasas, que descomponen las proteínas. El equipo del MIT descubrió que el patrón de actividad de esas enzimas puede servir como firma de la infección bacteriana o vírica.
El genoma humano codifica más de 500 proteasas, y muchas de ellas son utilizadas por las células que responden a la infección, incluidas las células T, los neutrófilos y las células asesinas naturales (NK). Un equipo dirigido por Purvesh Khatri, profesor asociado de medicina y ciencia de datos biomédicos en la Universidad de Stanford (Estados Unidos) y uno de los autores del artículo, recopiló 33 conjuntos de datos disponibles públicamente de genes que se expresan durante las infecciones respiratorias.
Analizando esos datos, Khatri pudo identificar 39 proteasas que parecen responder de forma diferente a los distintos tipos de infección. A continuación, Bhatia y sus estudiantes utilizaron esos datos para crear 20 sensores diferentes que pueden interactuar con esas proteasas.
Los sensores consisten en nanopartículas recubiertas con péptidos que pueden ser escindidos por determinadas proteasas. Cada péptido está marcado con una molécula informadora que se libera cuando los péptidos son escindidos por proteasas que están reguladas en la infección. Estas moléculas informadoras acaban siendo excretadas en la orina. La orina puede entonces analizarse con espectrometría de masas para determinar qué proteasas son más activas en los pulmones.
Los investigadores probaron sus sensores en cinco modelos diferentes de neumonía en ratones, causados por infecciones de 'Streptococcus pneumoniae', 'Klebsiella pneumoniae', 'Haemophilus influenzae', virus de la gripe y virus de la neumonía de ratones.
Tras leer los resultados de los análisis de orina, los investigadores utilizaron el aprendizaje automático para analizar los datos. Con este enfoque, fueron capaces de entrenar algoritmos que podían diferenciar entre la neumonía y los controles sanos, y también distinguir si una infección era viral o bacteriana, basándose en esos 20 sensores.
Los investigadores también descubrieron que sus sensores podían distinguir entre los cinco patógenos que probaron, pero con menor precisión que la prueba para distinguir entre virus y bacterias.
Están desarrollando versiones para uso humano que podrían administrarse mediante un nebulizador o un inhalador y la forma de detectar los resultados utilizando un alcoholímetro en lugar de un análisis de orina
Una posibilidad que los investigadores podrían perseguir es el desarrollo de algoritmos que no sólo puedan distinguir las infecciones bacterianas de las víricas, sino también identificar la clase de microbios que causan una infección bacteriana, lo que podría ayudar a los médicos a elegir el mejor antibiótico para combatir ese tipo de bacterias.
La lectura basada en la orina también es susceptible de ser detectada en el futuro con una tira de papel, similar a una prueba de embarazo, lo que permitiría un diagnóstico en el punto de atención. Para ello, los investigadores identificaron un subconjunto de cinco sensores que podrían poner al alcance de la mano la realización de pruebas en casa. Sin embargo, se necesita más trabajo para determinar si el panel reducido funcionaría de forma similar en humanos, que tienen más variabilidad genética y clínica que los ratones.
En su estudio, los investigadores también identificaron algunos patrones de respuesta del huésped a diferentes tipos de infección. En los ratones con infecciones bacterianas, las proteasas secretadas por los neutrófilos eran más prominentes, lo que se esperaba porque los neutrófilos tienden a responder más a las infecciones bacterianas que a las virales.
Las infecciones víricas, en cambio, provocaron la actividad de las proteasas de las células T y NK, que suelen responder más a las infecciones víricas. Uno de los sensores que generó la señal más fuerte estaba vinculado a una proteasa llamada granzima B, que desencadena la muerte celular programada.
Los investigadores descubrieron que este sensor se activaba mucho en los pulmones de los ratones con infecciones víricas, y que tanto las células NK como las T participaban en la respuesta.
Para administrar los sensores en ratones, los investigadores los inyectaron directamente en la tráquea, pero ahora están desarrollando versiones para uso humano que podrían administrarse mediante un nebulizador o un inhalador similar al del asma. También están trabajando en una forma de detectar los resultados utilizando un alcoholímetro en lugar de un análisis de orina, lo que podría dar resultados aún más rápidamente.