Dalla scoperta della penicillina nel 1928, i batteri hanno sviluppato numerosi modi per eludere o ignorare del tutto gli effetti degli antibiotici. Per fortuna, gli operatori sanitari dispongono di un arsenale di antibiotici usati raramente che sono ancora efficaci contro ceppi batterici altrimenti resistenti.
I ricercatori dei Sandia National Laboratories hanno combinato il lavoro precedente sui microaghi indolori con sensori su scala nanometrica per creare un cerotto sensore indossabile in grado di monitorare continuamente i livelli di uno di questi antibiotici.
L'antibiotico specifico che stanno monitorando è la vancomicina, che viene utilizzata come ultima linea di difesa per trattare gravi infezioni batteriche, ha affermato Alex Downs, Jill Hruby Fellow e responsabile del progetto. Il monitoraggio continuo è fondamentale per la vancomicina perché esiste un intervallo ristretto entro il quale uccide efficacemente i batteri senza danneggiare il paziente, ha aggiunto.
"Si tratta di un'ottima applicazione perché richiede uno stretto controllo", ha affermato Philip Miller, un ingegnere biomedico di Sandia che ha fornito consulenza sul progetto. "In un contesto clinico, ciò che accadrebbe è che un medico controlli il paziente su base oraria e richieda una misurazione del sangue della vancomicina in un unico punto temporale. Qualcuno verrebbe a prelevare il sangue, lo invierebbe alla clinica e otterrebbe una risposta in un secondo momento. Il nostro sistema è un modo per affrontare questo ritardo."
I ricercatori hanno condiviso come realizzare questi sensori e i risultati dei loro test in un articolo recentemente pubblicato sulla rivista Biosensors and Bioelectronics .
Il sistema di sensori inizia con un microago disponibile in commercio, comunemente utilizzato nelle penne per insulina. Adam Bolotsky, uno scienziato dei materiali di Sandia, prende un filo d'oro rivestito di polimero circa ¼ dello spessore di un capello umano e ne taglia un'estremità ad angolo. Quindi inserisce con attenzione il filo d'oro nell'ago, lo salda a un connettore e si assicura che sia isolato elettricamente. I ricercatori costruiscono anche elettrodi di riferimento e controelettrodi in modo simile, utilizzando rispettivamente fili rivestiti di argento e platino all'interno di microaghi commerciali.
Questi aghi vengono quindi inseriti in un cerotto di plastica, delle dimensioni di un dollaro d'argento, progettato dai tecnici Sandia Bryan Weaver e Haley Bennett. Questa patch include spazio per nove microaghi ma può essere regolata per qualsiasi numero desiderato, ha detto Downs. Sulla superficie diagonale esposta di ciascun filo d'oro, i ricercatori attaccano chimicamente i sensori su scala nanometrica.
I sensori, chiamati aptameri, sono filamenti di DNA con un linker superficiale su un'estremità e una sostanza chimica elettricamente sensibile sull'altra. Downs ha spiegato che quando il DNA si lega all’antibiotico vancomicina, cambia forma, avvicinando la sostanza chimica elettricamente sensibile alla superficie dell’oro. Questo movimento aumenta la corrente rilevata dal sistema di sensori. Quando la concentrazione di vancomicina diminuisce, parte del DNA ritorna alla sua forma originale, che viene rilevata anche elettricamente.
"Questa reversibilità è utile per cose come le misurazioni in tempo reale", ha detto Downs. "Se vuoi vedere la concentrazione di una determinata sostanza chimica presente nella pelle o nel sangue in un dato momento, allora poterne misurare gli aumenti e le diminuzioni è davvero importante."
Downs ha lavorato con il sensore aptamero durante la sua ricerca di dottorato e ha portato le sue conoscenze con sé a Sandia, dove ha lavorato per combinarle con l'esperienza di Sandia con i microaghi che possono fornire ai medici informazioni simili su un prelievo di sangue con meno dolore.
"Ho unito la mia conoscenza del rilevamento basato sugli aptameri e del monitoraggio in tempo reale con la tecnologia che Ronen Polsky e Phil Miller avevano sviluppato a Sandia", ha affermato Downs. "Integrando questi due strumenti, abbiamo sostanzialmente miniaturizzato il sistema di rilevamento e verificato che funzionasse in un microago."
Dopo aver costruito i sensori a microaghi, il team ha testato se un sensore a microaghi potesse rilevare la vancomicina in una soluzione salina imitando le condizioni all'interno del corpo, ha detto Downs. Una volta avuto successo, hanno testato l’intero sistema, completo di riferimento e controelettrodi, in una soluzione molto più complessa:sangue di mucca non diluito. Il sistema è ancora in grado di rilevare la vancomicina.
Quindi, per verificare se i microaghi e gli aptameri avrebbero funzionato dopo essere stati inseriti nella pelle, i ricercatori hanno inserito più volte il cerotto nella pelle di maiale, hanno monitorato il segnale elettronico del cerotto mentre era nella pelle e hanno testato la sua capacità di rilevare la vancomicina. .
"Era molto incerto se questo avrebbe mantenuto un segnale quando lo hai inserito nella pelle", ha detto Downs. "Ogni microago è un elettrodo di rilevamento individuale. Se i sensori non formano un buon contatto elettrico, allora non funzionerebbe davvero. Questa era l'incertezza più grande e qualcosa che non avevamo mai testato a Sandia."
Dopo aver testato con successo il sistema di patch dei sensori, il passo successivo è collaborare con un altro gruppo di ricerca per testarli sugli esseri umani o su altri animali, hanno affermato Downs e Miller.
"Il prossimo grande ostacolo tecnico è dimostrare che funziona nel corpo per un periodo di tempo prolungato", ha affermato Miller.
Guardando al futuro, un sistema simile con diversi aptameri del DNA potrebbe essere utilizzato per monitorare le citochine, piccole proteine utilizzate per trasmettere messaggi all’interno del corpo, così come altre proteine o molecole più piccole che cambiano in modo significativo durante le infezioni. Questi sistemi potrebbero aiutare i medici a diagnosticare più rapidamente la malattia di un paziente o addirittura assistere nel triage durante le situazioni di emergenza.
Downs ha anche studiato quali sostanze nel sangue e nella pelle potrebbero "intasare" i sensori e ridurne la precisione nel tempo. Insieme alla stagista estiva Amelia Staats, ha scoperto che il fibrinogeno, una proteina coinvolta nella coagulazione del sangue, è uno dei principali responsabili dell'interferenza del segnale. I ricercatori intendono pubblicare questi risultati in un prossimo articolo.
"Questo sistema potrebbe essere utilizzato praticamente ovunque si verifichino grandi cambiamenti chimici nel corpo, dove si desideri misurare tali cambiamenti nel tempo per comprendere meglio cosa sta accadendo nel corpo", ha affermato Downs.
Ulteriori informazioni: Alex M. Downs et al, Rilevamento basato su aptameri elettrochimici con microneedle:misurazioni di piccole molecole in tempo reale utilizzando microaghi in acciaio inossidabile disponibili in commercio e incorporati nel sensore, biosensori e bioelettronica (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115408
Informazioni sul giornale: Biosensori e bioelettronica
Fornito da Sandia National Laboratories
