Als rook duidt op brand, signaleert stikstofmonoxide een ontsteking. De chemische mediator bevordert ontstekingen, maar onderzoekers vermoeden dat het zijn werk te goed kan doen na breuken van de voorste kruisband (VKB) en gerelateerde verwondingen en vroegtijdige artrose kan veroorzaken. Doorgaans wordt de degeneratieve ziekte pas gediagnosticeerd na progressieve symptomen, maar het zou mogelijk veel eerder kunnen worden geïdentificeerd door middel van stikstofmonoxide-monitoring, volgens Huanyu "Larry" Cheng, James E. Henderson Jr. Memorial Universitair hoofddocent Engineering Science and Mechanics bij Penn State .

Cheng en zijn student, Shangbin Liu, die dit jaar een masterdiploma in technische wetenschappen en mechanica behaalde aan Penn State, werkten samen met onderzoekers in China om een ​​flexibele biosensor te ontwikkelen die in staat is tot continue en draadloze detectie van stikstofmonoxide bij konijnen. Ze publiceerden hun aanpak in de Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Realtime beoordeling van biomarkers geassocieerd met ontsteking, zoals stikstofmonoxide in de gewrichtsholte, kan wijzen op pathologische evolutie bij de initiële ontwikkeling van artrose, wat essentiële informatie oplevert om therapieën na traumatisch knieletsel te optimaliseren," zei Cheng.

De uitdaging, volgens Cheng, is dat de detectie van stikstofmonoxide zeer gevoelige en stabiele elektrochemische sensoren vereist die ook flexibel en biocompatibel zijn, zodat de geografische oorsprong van het stikstofmonoxide nauwkeurig in kaart kan worden gebracht. Corresponderende auteur Lan Yin, universitair hoofddocent aan de School of Materials Science and Engineering aan de Tsinghua University in China, leidde eerder de ontwikkeling van een flexibele, stikstofoxide-gevoelige elektrochemische sensor, maar het vertrouwde op een elektrodeconfiguratie die de mogelijkheden ervan beperkte.

"Het beperkte oppervlak maakte het een uitdaging om tegelijkertijd zowel een hoge gevoeligheid als een hoge ruimtelijke resolutie te bereiken", zei Yin, wat betekent dat het apparaat mogelijk stikstofmonoxide kan detecteren, maar mogelijk niet precies kan bepalen waar het vandaan kwam, dus het was niet duidelijk of het signaal gerelateerd was aan de plaats van de verwonding of het omliggende weefsel. "Herkalibratie was ook regelmatig nodig om de gewenste nauwkeurigheid te garanderen."

De onderzoekers wendden zich tot de mogelijke oplossing van flexibele en biocompatibele organische elektrochemische transistors (OECT's), die spanning en stromen kunnen gebruiken om signalen te identificeren en te versterken. Zelfs kleine ionenconcentraties kunnen worden gedetecteerd en versterkt zodra ze oxideren op de poortelektrode en ionen van de elektrolyt in het kanaal van het apparaat drijven; het kanaal is echter gemaakt van een polymeer, bekend als PEDOT:PSS, dat vaak op een andere poortspanning werkt dan stikstofmonoxide.

"We hebben de kanaalgeometrie en poortmaterialen afgestemd om af te stemmen hoe de elektrochemische signalen van stikstofmonoxide het kanaal binnenkomen en hoe het apparaat ze detecteert, waardoor de detectiemogelijkheden worden geoptimaliseerd", zei Cheng. "De referentievrije sensor met een geminiaturiseerd actief detectiegebied maakt detectie van stikstofmonoxide mogelijk met een verbeterde ruimtelijke resolutie in vergelijking met eerder gerapporteerde elektrochemische stikstofoxidesensoren, waardoor het in kaart brengen van elektrochemische signalen uitgebreide diagnostische informatie zou kunnen bieden."

De onderzoekers integreerden de sensoren met een aangepaste circuitmodule, wat resulteerde in een apparaat dat continu en draadloos de stikstofmonoxideniveaus bewaakt, die via Bluetooth worden verzonden naar een mobiele telefoon-app. Om het ontwerp te testen, implanteerden de onderzoekers de apparaten in konijnen. Gedurende acht dagen ontdekten de onderzoekers dat de apparaten met succes stikstofmonoxideconcentraties detecteerden.

"De resultaten geven aan dat vroege tekenen van hoge stikstofmonoxideconcentraties in een later stadium gecorreleerd kunnen zijn met ontsteking en kraakbeendegeneratie, wat mogelijk essentiële informatie zou kunnen bieden om de progressie naar artrose na VKB-letsel te evalueren en posttraumatische behandelingen te optimaliseren," zei Cheng.

De onderzoekers zijn van plan om het verband tussen stikstofmonoxideconcentraties en artrose te blijven onderzoeken en de detectietechnologie te verfijnen, aldus Cheng.

"Over het algemeen kunnen de voorgestelde materiaalopties en het ontwerp van het apparaat een kritische technische basis bieden voor het in een vroeg stadium decoderen van gezondheidsproblemen en het maximaliseren van de therapeutische resultaten van bijbehorende degeneratie en aandoeningen," zei Yin. + Verder verkennen

Onderzoekers gebruiken stikstofmonoxide-aaseters om triple-negatieve borstkanker aan te pakken