Nowatorski czujnik chemiczny służący do pomiaru kilku parametrów w zaledwie pojedynczej kropli płynów ustrojowych opracowali badacze z czterech polskich instytucji naukowych. Stworzyli tym samym unikalną platformę do wykrywania poszczególnych związków chemicznych w ciągu kilku minut.
Przenośna elektronika stała się nieodzownym elementem naszego życia. Począwszy od smartfonów i pulsoksymetrów, po inteligentne opaski sportowe, wiele z tych urządzeń wyposażonych jest w liczne czujniki umożliwiające niemal natychmiastowy pomiar parametrów fizjologicznych. Dokładne monitorowanie przebiegu niektórych chorób za pomocą takich przenośnych urządzeń nadal pozostaje jednak dalekie od ideału i stanowi jedno z potężnych wyzwań medycyny. Naukowcy nieustannie pracują nad mobilnymi układami służącymi do szybkiej analizy płynów ustrojowych nie tylko w czasie rzeczywistym, ale przede wszystkim umożliwiającym sprawdzenie poziomu podawanego pacjentowi leku w organizmie, np. w metabolitach.
Jednym z takich leków jest Cilostazol używany głównie w leczeniu choroby naczyń i mięśni, ale także w chorobie Alzheimera i cukrzycy. Lek ten zmniejsza ból mięśni, wpływa na ich natlenienie oraz zwiększa przepływu krwi. Odpowiednie dawkowanie pozwala na uniknięcie skutków ubocznych leczenia, a co za tym idzie istnieje ogromna potrzeba monitorowania jego poziomu w organizmie ze względu na skuteczność leczenia. Obecnie sprawdzanie stężenia leku we krwi prowadzone jest w laboratoriach diagnostycznych bezpośrednio z krwi i to o wiele za rzadko, co dalekie jest od spersonalizowanej medycyny, dostosowanej do potrzeb pacjenta i to bez konieczności wizyty w przychodni lub w szpitalu.
Stawiając czoła temu wyzwaniu, badacze z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk we współpracy z naukowcami z Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Chemii Przemysłowej), Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego oraz Uniwersytetu im Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie, pracujący pod kierunkiem dr. Krzysztofa Noworyty, zaprojektowali szybki i skuteczny sposób oznaczania stężenia Cilostazolu w różnych roztworach będących analogami płynów ustrojowych. A wszystko po to, aby usprawnić jego monitorowanie i to za pomocą zminiaturyzowanej elektroniki. Jak tego dokonano? Opierając się na rozwiązaniach elektrochemicznych, bowiem naukowcy przygotowali czujnik, w którym pokryli elektrodę polimerem o określonym składzie chemicznym i strukturze, wytwarzając materiał selektywny na ten określony lek. Zadanie to bazowało na wprowadzeniu cząsteczek Cilostazolu do matrycy polimerowej na etapie jej tworzenia. Jeśli taki lek się usunie, w matrycy pozostają luki, które pasują tylko i wyłącznie do tego określonego kształtu cząsteczki, tworząc wysoce selektywną matrycę molekularną. Działa ona niczym trójwymiarowe puzzle, gdzie do określonej układanki pasuje tylko obiekt o odpowiednim kształcie. W zaproponowanym rozwiązaniu to właśnie Cilostazol jest takim puzzlem, a cała trójwymiarowa struktura to molekularna matryca na bazie wspomnianego już polimeru.
Otrzymane przez nas wyniki są efektem ścisłej współpracy naukowców z różnych środowisk związanych z chemią syntetyczną, modelowaniem kwantowym i analizą farmaceutyczną – podkreśla dr Noworyta.
Wytworzenie selektywnego materiału do detekcji leku wydaje się proste, natomiast projektowanie sprawnego sensora pod kątem jego wykorzystania w monitorowaniu stężenia leku w płynach ustrojowych to już trudniejsza rzecz. Wszak płyny w naszym ciele mają skomplikowany skład chemiczny i zawierają setki, a nawet tysiące różnych cząsteczek. Jak wiadomo, każda cząsteczka wokół nas ma określony kształt i rozmiar, więc inne niż Cilostazol nie pasowałyby do zaproponowanej przez badaczy matrycy. Dlatego właśnie potrzebna jest metoda pozwalająca na wykrycie tylko jednej substancji w bardzo złożonym roztworze i elektroda oparta na bazie matrycy polimerowej umiejscowionej bezpośrednio na elektrodzie zdaje się sprostać temu zadaniu. Cały pomiar opiera się na śledzeniu parametrów elektrochemicznych, gdyż wytworzony polimer przewodzi prąd elektryczny, a dzięki obecności Cilostazolu w swojej strukturze przewodnictwo się zmienia. To dlatego, że przez obecność leku zaburzony zostaje transfer ładunku elektrycznego w trójwymiarowej strukturze polimeru. I tak właśnie sygnał chemiczny może być łatwo przetwarzany i przedstawiony za pomocą sygnału elektrochemicznego, a to pozwala na miniaturyzację proponowanego rozwiązania, a nawet połączenie go z innymi urządzeniami diagnostycznymi np. platformami typu lab-on-chip. Elektroda może być bowiem tak mała, że pozwoli nawet na wykrycie leku w mikrolitrowej kropli płynu biologicznego i tym samym tworzenie nowych platform diagnostycznych, które umożliwiają miniaturyzację elektroniki medycznej i wykrywanie także innych leków.
Wykazaliśmy, że skonstruowane przez nas czujniki mogą pomóc zoptymalizować dawkowanie leków i diagnostykę w zakresie badania stężenia Cilostazolu i jego metabolitów w płynach ustrojowych – dodaje dr Noworyta.
Ponadto, komplementarnie do eksperymentów laboratoryjnych, naukowcy przeprowadzili obliczenia kwantowo-mechaniczne poznając dokładnie interakcje między poszczególnymi cząsteczkami leku we wnękach przygotowanej matrycy. Dzięki tym analizom mogli oszacować powinowactwo cząsteczek cilostazolu do matrycy i poznać rodzaje oddziaływań odpowiedzialnych za ich wiązanie. Obliczenia te pozwoliły na lepsze zaprojektowanie polimeru wdrukowanego.
Badania realizowane w ramach grantu Nardowego Centrum Nauki są krokiem milowym w kierunku monitorowania stężenia danego leku w trakcie leczenia i to bez wychodzenia z domu. Wynik uzyskany za pomocą narzędzi elektrochemicznych jest możliwy w czasie rzeczywistym, co jest niezwykle istotne w leczeniu z tymże lekiem, gdzie konieczne jest spersonalizowanie doboru dawki leku celem niwelacji skutków ubocznych. Dzięki tym badaniom z użyciem selektywnego czujnika możliwe będzie dobranie dawki leku w zależności od indywidualnych parametrów zdrowotnych. Wyniki prac opublikowano w czasopiśmie naukowym Biosensors and Bioelectronics. Już teraz naukowcy pracują nad wykrywaniem i monitorowaniem poziomu w płynach ustrojowych innych leków.
źródło: IChF PAN