Sinds de ontdekking van penicilline in 1928 hebben bacteriën talloze manieren ontwikkeld om de effecten van antibiotica te omzeilen of ronduit te negeren. Gelukkig beschikken zorgverleners over een arsenaal aan weinig gebruikte antibiotica die nog steeds effectief zijn tegen anderszins resistente bacteriestammen.

Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben eerder werk aan pijnloze micronaalden gecombineerd met sensoren op nanoschaal om een ​​draagbare sensorpatch te creëren die in staat is om continu de niveaus van een van deze antibiotica te controleren.

Het specifieke antibioticum dat ze in de gaten houden is vancomycine, dat wordt gebruikt als laatste verdedigingslinie om ernstige bacteriële infecties te behandelen, zegt Alex Downs, een Jill Hruby Fellow en projectleider. Continue monitoring is cruciaal voor vancomycine, omdat er een smal bereik is waarbinnen het effectief bacteriën doodt zonder de patiënt schade toe te brengen, voegde ze eraan toe.

"Dit is een geweldige toepassing omdat het een strikte controle vereist", zegt Philip Miller, een biomedisch ingenieur van Sandia die adviseerde over het project. "In een klinische setting zou dat gebeuren als een arts de patiënt elk uur zou controleren en om een ​​eenmalige bloedmeting van vancomycine zou vragen. Iemand zou bloed komen afnemen, het naar de kliniek sturen en een antwoord krijgen. op een later tijdstip terug. Ons systeem is een manier om die vertraging aan te pakken."

De onderzoekers deelden hoe deze sensoren kunnen worden gemaakt en de resultaten van hun tests in een artikel dat onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift Biosensors and Bioelectronics .

Elektrochemische micronaaldsensoren maken

Het sensorsysteem begint met een in de handel verkrijgbare micronaald, die vaak wordt gebruikt in insulinepennen. Adam Bolotsky, een materiaalwetenschapper van Sandia, neemt een met polymeer beklede gouddraad van ongeveer ¼ van de dikte van een mensenhaar en knipt het ene uiteinde schuin af. Vervolgens steekt hij voorzichtig de gouden draad in de naald, soldeert deze aan een connector en zorgt ervoor dat deze elektrisch geïsoleerd is. De onderzoekers construeren ook referentie- en tegenelektroden op een vergelijkbare manier, waarbij ze respectievelijk gecoate zilver- en platinadraden gebruiken in commerciële micronaalden.

Deze naalden worden vervolgens in een plastic pleister gestoken, ter grootte van een zilveren dollar, ontworpen door Sandia-technologen Bryan Weaver en Haley Bennett. Deze patch biedt ruimte voor negen micronaalden, maar kan worden aangepast voor elk gewenst aantal, aldus Downs. Op het blootliggende, diagonale oppervlak van elke gouddraad bevestigen de onderzoekers de sensoren op nanoschaal chemisch.

De sensoren, aptameren genoemd, zijn DNA-strengen met aan het ene uiteinde een oppervlaktelinker en aan het andere uiteinde een elektrisch gevoelige chemische stof. Downs legde uit dat wanneer het DNA zich bindt aan het antibioticum vancomycine, het van vorm verandert, waardoor de elektrisch gevoelige chemische stof dichter bij het goudoppervlak komt. Deze beweging verhoogt de stroom die door het sensorsysteem wordt gedetecteerd. Wanneer de concentratie vancomycine afneemt, keert een deel van het DNA terug naar zijn oorspronkelijke vorm, wat ook elektrisch wordt gedetecteerd.

"Deze omkeerbaarheid is nuttig voor zaken als realtime metingen", zei Downs. "Als je op een bepaald moment de concentratie van een bepaalde chemische stof in de huid of in het bloed wilt zien, dan is het erg belangrijk om stijgingen en dalingen te kunnen meten."

Downs werkte tijdens haar promotieonderzoek met de aptamer-sensor en bracht de kennis mee naar Sandia, waar ze werkte om deze te combineren met Sandia's expertise op het gebied van micronaalden die artsen vergelijkbare informatie kunnen geven over een bloedafname met minder pijn.

"Ik heb mijn kennis van op aptameer gebaseerde detectie en realtime monitoring samengevoegd met de technologie die Ronen Polsky en Phil Miller bij Sandia hadden ontwikkeld", zei Downs. "Door deze twee hulpmiddelen te integreren, hebben we het sensorsysteem aanzienlijk geminiaturiseerd en geverifieerd dat het werkte in een micronaald."

De naalden op de proef stellen (en volgende stappen)

Na het construeren van de micronaaldsensoren testte het team of een micronaaldsensor vancomycine kon detecteren in een zoutoplossing die de omstandigheden in het lichaam nabootste, zei Downs. Eenmaal succesvol testten ze het hele systeem, compleet met referentie- en tegenelektroden, in een veel complexere oplossing:onverdund koeienbloed. Het systeem kon nog steeds vancomycine detecteren.

Om vervolgens te testen of de micronaalden en aptameren zouden werken nadat ze in de huid waren ingebracht, plaatsten de onderzoekers de pleister verschillende keren in de varkenshuid, controleerden het elektronische signaal van de pleister terwijl deze in de huid zat en testten het vermogen ervan om vancomycine te detecteren. .

"Het was erg onzeker of dit een signaal zou behouden als je het in de huid zou stoppen", zei Downs. "Elke micronaald is zijn eigen individuele detectie-elektrode. Als de sensoren geen goed elektrisch contact vormen, zou dit echt niet werken. Dat was de grootste onzekerheid en iets dat we bij Sandia nog nooit hadden getest."

Sinds het succesvol testen van het sensorpatchsysteem is de volgende stap het samenwerken met een andere onderzoeksgroep om het te testen op mensen of andere dieren, aldus Downs en Miller.

"De volgende grote technische hindernis is het bewijzen dat het gedurende langere tijd in het lichaam blijft werken", aldus Miller.

Vooruitkijkend zou een soortgelijk systeem met verschillende DNA-aptameren kunnen worden gebruikt om cytokines te monitoren, kleine eiwitten die worden gebruikt om boodschappen in het lichaam over te brengen, evenals andere eiwitten of kleinere moleculen die aanzienlijk veranderen tijdens infecties. Deze systemen kunnen artsen helpen sneller te diagnosticeren welke ziekte een patiënt heeft, of zelfs helpen bij triage tijdens noodsituaties.

Downs heeft ook onderzocht welke dingen in het bloed en de huid de sensoren kunnen "verstoppen" en hun nauwkeurigheid in de loop van de tijd kunnen verminderen. Samen met zomerstagiaire Amelia Staats ontdekte zij dat fibrinogeen, een eiwit dat betrokken is bij de bloedstolling, een belangrijke boosdoener is bij signaalinterferentie. De onderzoekers zijn van plan deze bevindingen in een komende paper te publiceren.

"Dit systeem zou eigenlijk overal kunnen worden gebruikt waar je grote chemische veranderingen in het lichaam ervaart, waar je die veranderingen in de loop van de tijd wilt meten om beter te begrijpen wat er in het lichaam gebeurt", aldus Downs.

Meer informatie: Alex M. Downs et al., Elektrochemische aptameergebaseerde detectie met microneedle:realtime metingen van kleine moleculen met behulp van in sensoren ingebedde, in de handel verkrijgbare roestvrijstalen micronaalden, Biosensoren en bio-elektronica (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115408

Journaalinformatie: Biosensoren en bio-elektronica

Geleverd door Sandia National Laboratories