![Een op micronaalden gebaseerde sensorpuck ontworpen door onderzoekers van Sandia National Laboratories om continu de niveaus van een "laatste verdedigingslinie" antibioticum met minder pijn dan een bloedafname. Krediet: Craig Fritz Draagbare sensor om 'laatste verdedigingslinie'-antibioticum te monitoren](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2023/wearable-sensor-to-mon.jpg)
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 monitoren.
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 bacteriën effectief doodt zonder de patiënt te schaden, voegde ze eraan toe.
“Dit is een geweldige toepassing omdat het een strikte controle vereist,” zei Philip Miller, een biomedisch ingenieur van Sandia die adviseerde over het project. “In een klinische omgeving zou dat gebeuren als een arts de patiënt elk uur zou controleren en om een eenmalige bloedmeting van vancomycine zou vragen. Er zou iemand komen om bloed af te nemen, het naar de kliniek te sturen en op een later tijdstip antwoord terug te krijgen. Ons systeem is één manier om die vertraging aan te pakken.”
De onderzoekers deelden hoe ze deze sensoren kunnen maken en de resultaten van hun tests in een artikel dat onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd Biosensoren en bio-elektronica.
Het maken van elektrochemische micronaaldsensoren
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 ter grootte van een zilveren dollar gestoken, 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 blootgestelde, diagonale oppervlak van elke gouden draad 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 handig 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 aptameersensor 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 detectiesysteem aanzienlijk geminiaturiseerd en geverifieerd dat het in een micronaald werkte.”
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 op mensen of andere dieren te testen, aldus Downs en Miller.
“De volgende grote technische hindernis is het bewijzen dat het gedurende langere tijd in het lichaam blijft werken.” zei Molenaar.
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 wat dingen in het bloed en de huid kunnen zijn “verstoppen” de sensoren verbeteren en hun nauwkeurigheid in de loop van de tijd 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 aankomend artikel te publiceren.
“Dit systeem kan eigenlijk overal 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.” zei 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
Tijdschriftinformatie:
Biosensoren en bio-elektronica
Geleverd door Sandia Nationale Laboratoria