Ny grafitbaseret hurtig sensorchip til teofyllinovervågning i realtid

Theophyllin eller THO er en naturlig organisk forbindelse, hvis molekylære struktur ligner meget koffein i kaffe og kakao. I årenes løb er THO på grund af dets terapeutiske egenskaber blevet et af de mest undersøgte xanthingruppederivater. THO bruges til at udvide luftvejene hos mennesker med vejrtrækningsbesvær, og som muskelafslappende, anti-astmatisk og vanddrivende (lægemidler, der bruges til at øge urinproduktionen og reducere blodtrykket). Det er også kendt for at have anti-inflammatoriske og anti-tumor egenskaber og kan også regulere vores immunrespons.

Mens THO er gavnligt til behandling af en række tilstande, har lægemidlet et meget snævert terapeutisk vindue. Dette betyder, at det kan skabe uønskede virkninger, hvis det administreres ud over en vis grænse (og den grænse kan ret nemt nås). En utilsigtet eller bevidst overdosis kan være meget giftig og føre til problemer såsom anfald, hurtige hjerteslag, excitation af nervesystemet eller endda død. Dette gør tæt overvågning af THO-niveauer under behandlingen ekstremt afgørende.

I en nylig artikel – som blev offentliggjort i bind 27, udgave 8 af Molecules , gjort tilgængelig online den 11. april 2022 – et team af forskere fra Shibaura Institute of Technology (SIT) i Japan beskriver, hvordan de udviklede en billig og hurtig elektrokemisk sensor til THO-detektion. Prof. Yasuo Yoshimi (som er den tilsvarende forfatter til artiklen) uddyber deres motivation for undersøgelsen:"Konventionel lægemiddelovervågning er afhængig af laboratorier uden for hospitalet til at analysere de molekylære niveauer af lægemidler i blodet. Vores reagensfri sensingværktøj kan nemt detekter THO direkte fra fuldblod på mindre end 3 sekunder, ligesom en glukosesensor." Denne artikel er en del af tidsskriftets specialnummer med titlen "Molecularly Imprinted Polymers:Impactful Technology vs. Academic Exercise."

Terapeutisk lægemiddelovervågning er essentiel for at optimere virkningerne af behandlinger såsom kemoterapi, som kræver streng kontrol over lægemidlets koncentration i patientens blod for at forhindre alvorlige bivirkninger. De fleste overvågningsteknikker er dog ofte tidskrævende og kræver komplekse procedurer, som kun kan udføres af en ekspert. Det samme gælder for THO-detektionsmetoder.

For at afhjælpe disse problemer har forskere gennem årene udviklet billige elektrokemiske metoder, der er enkle, meget følsomme og hurtige. Et af disse, en klasse af elektrokemiske værktøjer, der for nylig har taget fart, er molekylært prægede polymerer (MIP'er). Disse værktøjer har skræddersyede molekylære hulrum, der kan genkende og binde sig til specifikke målmolekyler, ligesom receptorer i vores egen krop ville. Deres evne til at gøre det bliver meget brugt i adskillige applikationer, herunder lægemiddeldetektion.

I denne undersøgelse udviklede holdet af forskere en papirbaseret engangs-THO-sensor bestående af en elektrode lavet af molekylært præget grafit. Da MIP'er er designet ved hjælp af målmolekylet som skabelon, brugte teamet THO som skabelon, når de udviklede sensorens kulstofbaserede elektrodepasta. Den syntetiserede pasta blev derefter indlæst på en trykt sensorchip, og dens THO-detektionsevner blev testet.

Sensoren viste sig at være meget følsom (hvilket betyder, at den kunne detektere selv små mængder THO) og viste stor selektivitet over for lægemidlet. Faktisk kunne sensoren identificere THO selv i prøver med THO-koncentrationer så lave som 2,5 µg/mL (µg=mikrogram, dvs. 1/1000 af et milligram). Og hvad mere er, denne sensor tager kun 3 sekunder for at registrere THO! Det kunne den gøre selv i hel bovint blod.

Denne bærbare, billige, pålidelige og hurtige sensor har langtidsstabilitet og kan bruges til realtidsdetektering af lægemidler som THO uden os afhængig af sofistikeret udstyr. Ydermere kan fremstillingsstrategien i denne undersøgelse bruges til at udvikle effektive elektrokemiske sensorer til forskellige andre kliniske indgreb. Assistentprofessor Aaryashree (som er artiklens første forfatter) konkluderer:"Eksisterende metoder til analyse af lægemidler i blod er dyre og kræver specialiseret udstyr. Dette kan være et problem for udviklingslande, der har mangel på ressourcer og teknikere. Den papirbaserede sensor, som vi har udviklet, er ikke kun nem at bruge, men også økonomisk og kan reducere byrden af ​​lægemiddelanalyse i udviklingslande. Ydermere kan dens prototype bruges til at udvikle et terapeutisk lægemiddelovervågningssystem ved sengen, som vil advare os af enhver overdosis, undgå bivirkninger hos patienter, der tager disse lægemidler." + Udforsk yderligere

Russiske videnskabsmænd udviklede sensor til at detektere giftige stoffer i vandområder