许多不同类型的细菌和病毒都可能导致肺炎，但没有简单的方法来确定是哪种微生物导致了特定患者的疾病。这种不确定性使得医生更难选择有效的治疗方法，因为通常用于治疗细菌性肺炎的抗生素对病毒性肺炎患者没有帮助。此外，限制抗生素的使用是遏制抗生素耐药性的重要一步。

麻省理工学院的研究人员现在设计了一种传感器，可以区分病毒性肺炎和细菌性肺炎感染，他们希望这将有助于医生选择合适的治疗方法。

“挑战在于，有很多不同的病原体可以导致不同类型的肺炎，即使使用最广泛和先进的测试，导致某人疾病的特定病原体也无法在大约一半的患者中识别出来。如果你用抗生素治疗病毒性肺炎，那么你可能会导致抗生素耐药性，这是一个大问题，病人不会好转，”麻省理工学院健康科学和技术、电气工程和计算机科学的约翰和多萝西·威尔逊教授Sangeeta Bhatia说。

小鼠的研究中，研究人员表明，它们的传感器可以在两小时内准确区分细菌性肺炎和病毒性肺炎，只需通过简单的尿检读取结果。

Bhatia是这项研究的资深作者，该研究发表在本周的《pNAS》上。22年毕业的博士生Melodi Anahtar是这篇论文的主要作者。

很难区分病毒性肺炎和细菌性肺炎的一个原因是，有很多微生物可以引起肺炎，包括细菌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。

在设计传感器时，研究团队决定将重点放在测量宿主对感染的反应上，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，包括激活一种叫做蛋白酶的酶，这种酶可以分解蛋白质。麻省理工学院的研究小组发现，这些酶的活动模式可以作为细菌或病毒感染的标志。

人类基因组编码了500多种蛋白酶，其中许多被用于应对感染的细胞，包括T细胞、中性粒细胞和自然杀伤细胞(NK)。斯坦福大学(Stanford University)医学和生物医学数据科学副教授、这篇论文的作者之一purvesh Khatri领导的团队收集了33组在呼吸道感染期间表达的公开基因数据集。通过分析这些数据，Khatri能够识别出39种蛋白酶，它们似乎对不同类型的感染有不同的反应。

Bhatia和她的学生利用这些数据创建了20种不同的传感器，这些传感器可以与这些蛋白酶相互作用。这种传感器由纳米颗粒组成，表面包裹有可被特定蛋白酶切割的多肽。每个肽都被一个报告分子标记，当肽被在感染中上调的蛋白酶切割时，报告分子被释放。这些记者最终会随尿液排出体外。然后用质谱分析尿液，以确定哪些蛋白酶在肺中最活跃。

研究人员在由肺炎链球菌、肺炎克雷伯菌、流感嗜血杆菌、流感病毒和肺炎病毒感染的5种不同的小鼠肺炎模型上测试了他们的传感器。

在读出尿液测试结果后，研究人员使用机器学习来分析数据。使用这种方法，他们能够训练出能够区分肺炎和健康对照组的算法，并基于这20个传感器区分感染是病毒还是细菌。

研究人员还发现，他们的传感器可以区分他们测试的五种病原体，但比区分病毒和细菌的测试准确度低。研究人员可能追求的一种可能性是，开发一种算法，不仅可以区分细菌感染和病毒感染，还可以识别引起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类细菌。

这种基于尿液的读数还可以用于未来的纸条检测，类似于妊娠测试，这将允许即时护理诊断。为此，研究人员确定了五个传感器的子集，可以让家庭测试更触手可及。然而，还需要做更多的工作来确定减少的小组是否在人类身上也同样有效，因为人类比小鼠具有更多的遗传和临床变异性。

在他们的研究中，研究人员还发现了宿主对不同类型感染的一些反应模式。在细菌感染的小鼠中，中性粒细胞分泌的蛋白酶更明显，这是意料之中的，因为中性粒细胞往往对细菌感染比病毒感染反应更大。

另一方面，病毒感染引起T细胞和NK细胞的蛋白酶活性，它们通常对病毒感染反应更强。其中一个产生最强信号的传感器与一种叫做颗粒酶B（granzyme B）的蛋白酶有关，这种蛋白酶能触发程序性细胞死亡。研究人员发现，这种传感器在感染病毒的鼠的肺部高度激活，NK细胞和T细胞都参与了反应。

为了将传感器注入小鼠体内，研究人员将它们直接注射到气管中，但他们现在正在开发用于人类的版本，可以使用雾化器或类似于哮喘吸入器的吸入器给药。他们还在研究一种方法，使用酒精测试仪来检测结果，而不是尿液测试，这可能会更快地给出结果。