Forskerhold skaber en bærbar sensor til at overvåge sidste linje af forsvarsantibiotikum

Siden opdagelsen af ​​penicillin i 1928, har bakterier udviklet sig adskillige måder at undgå eller direkte ignorere virkningerne af antibiotika. Heldigvis har sundhedsudbydere et arsenal af sjældent brugte antibiotika, som stadig er effektive mod ellers resistente bakteriestammer.

Forskere ved Sandia National Laboratories har kombineret tidligere arbejde med smertefri mikronåle med sensorer i nanoskala for at skabe en bærbar sensorplaster, der er i stand til kontinuerligt at overvåge niveauerne af en af ​​disse antibiotika.

Det specifikke antibiotikum, de sporer, er vancomycin, som bruges som en sidste forsvarslinje til at behandle alvorlige bakterielle infektioner, sagde Alex Downs, en Jill Hruby Fellow og projektleder. Kontinuerlig overvågning er afgørende for vancomycin, fordi der er et snævert område, inden for hvilket det effektivt dræber bakterier uden at skade patienten, tilføjede hun.

"Dette er en fantastisk applikation, fordi den kræver stram kontrol," sagde Philip Miller, en Sandia biomedicinsk ingeniør, der rådgav om projektet. "I et klinisk miljø, hvordan det ville ske er, at en læge ville tjekke patienten på timebasis og anmode om en enkelt blodmåling af vancomycin på et tidspunkt. Nogen ville komme for at tage blod, sende det til klinikken og få et svar tilbage på et senere tidspunkt. Vores system er en måde at løse denne forsinkelse på."

Forskerne delte, hvordan man fremstiller disse sensorer og resultaterne af deres tests i et papir, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Biosensors and Bioelectronics .

Fremstilling af elektrokemiske mikronålesensorer

Sensorsystemet starter med en kommercielt tilgængelig mikronål, der almindeligvis anvendes i insulinpenne. Adam Bolotsky, en Sandia-materialeforsker, tager en polymerbelagt guldtråd omkring ¼ tykkelsen af ​​et menneskehår og trimmer den ene ende i en vinkel. Han indsætter derefter forsigtigt guldtråden i nålen, lodder den til et stik og sikrer, at den er elektrisk isoleret. Forskerne konstruerer også reference- og modelektroder på lignende måde ved hjælp af coatede sølv- og platintråde inde i henholdsvis kommercielle mikronåle.

Disse nåle indsættes derefter i et plastikplaster, på størrelse med en sølvdollar, designet af Sandia-teknologerne Bryan Weaver og Haley Bennett. Denne patch indeholder plads til ni mikronåle, men kan justeres til et hvilket som helst antal ønskede, sagde Downs. På den blotlagte, diagonale overflade af hver guldtråd fastgør forskerne kemisk sensorerne i nanoskala.

Sensorerne, kaldet aptamerer, er DNA-strenge med en overfladelinker i den ene ende og et elektrisk følsomt kemikalie i den anden. Downs forklarede, at når DNA'et binder til antibiotikummet vancomycin, ændrer det sin form, hvilket bringer det elektrisk følsomme kemikalie tættere på guldoverfladen. Denne bevægelse øger den strøm, der registreres af sensorsystemet. Når koncentrationen af ​​vancomycin falder, vender noget af DNA'et tilbage til sin oprindelige form, hvilket også detekteres elektrisk.

"Denne reversibilitet er nyttig til ting som realtidsmålinger," sagde Downs. "Hvis du vil se koncentrationen af ​​et bestemt kemikalie til stede i huden eller i blodet på et givet tidspunkt, så er det virkelig vigtigt at kunne måle stigninger og fald."

Downs arbejdede med aptamer-sensoren under sin doktorgradsforskning og bragte viden med sig til Sandia, hvor hun arbejdede på at kombinere den med Sandias ekspertise med mikronåle, der kan give læger lignende information om en blodprøve med mindre smerte.

"Jeg fusionerede min viden om aptamer-baseret sensing og realtidsovervågning med den teknologi, som Ronen Polsky og Phil Miller havde udviklet hos Sandia," sagde Downs. "Ved at integrere disse to værktøjer miniaturiserede vi sensingsystemet væsentligt og bekræftede, at det fungerede i en mikronål."

Prøvning af nålene (og næste trin)

Efter at have konstrueret mikronålssensorerne testede holdet, om en mikronålssensor kunne detektere vancomycin i en saltvandsopløsning, der efterligner forholdene inde i kroppen, sagde Downs. Da de var lykkedes, testede de hele systemet, komplet med reference- og modelektroder, i en meget mere kompleks løsning:ufortyndet koblod. Systemet var stadig i stand til at detektere vancomycin.

Derefter, for at teste, om mikronålene og aptamererne ville virke efter at være blevet indsat i huden, indsatte forskerne plasteret i svineskind flere gange, overvågede det elektroniske signal fra plasteret, mens det var i huden, og testede dets evne til at detektere vancomycin .

"Det var meget usikkert, om dette ville opretholde et signal, når du satte det i huden," sagde Downs. "Hver mikronål er sin egen individuelle sensorelektrode. Hvis sensorerne ikke danner god elektrisk kontakt, så ville dette virkelig ikke fungere. Det var den største usikkerhed og noget, vi aldrig havde testet hos Sandia."

Siden det lykkedes at teste sensorplastersystemet, er næste skridt at samarbejde med en anden forskergruppe for at teste dem i mennesker eller andre dyr, sagde Downs og Miller.

"Den næste store tekniske forhindring er at bevise, at den virker i kroppen i længere tid," sagde Miller.

Når man ser fremad, kan et lignende system med forskellige DNA-aptamerer bruges til at overvåge cytokiner, små proteiner, der bruges til at formidle budskaber i kroppen, såvel som andre proteiner eller mindre molekyler, der ændrer sig væsentligt under infektioner. Disse systemer kan hjælpe læger med hurtigere at diagnosticere, hvilken sygdom en patient har eller endda hjælpe med triage i nødsituationer.

Downs har også undersøgt, hvilke ting i blodet og huden der kunne "tilstoppe" sensorerne og reducere deres nøjagtighed over tid. Hun fandt sammen med sommerpraktikant Amelia Staats ud af, at fibrinogen, et protein involveret i blodpropper, er en vigtig synder i signalinterferens. Forskerne planlægger at offentliggøre disse resultater i et kommende papir.

"Dette system kan virkelig bruges overalt, hvor du har store kemiske ændringer i kroppen, hvor du ønsker at måle disse ændringer over tid for bedre at forstå, hvad der sker i kroppen," sagde Downs.

Flere oplysninger: Alex M. Downs et al., Microneedle elektrokemisk aptamer-baseret sensing:Målinger af små molekyler i realtid ved hjælp af sensorindlejrede, kommercielt tilgængelige mikronåle i rustfrit stål, Biosensorer og Bioelektronik (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115408

Journaloplysninger: Biosensorer og bioelektronik

Leveret af Sandia National Laboratories