Sedan upptäckten av penicillin 1928 har bakterier utvecklat många sätt att undvika eller direkt ignorera effekterna av antibiotika. Tack och lov har vårdgivare en arsenal av sällan använda antibiotika som fortfarande är effektiva mot annars resistenta bakteriestammar.
Forskare vid Sandia National Laboratories har kombinerat tidigare arbete med smärtfria mikronålar med sensorer i nanoskala för att skapa en bärbar sensorplåster som kan kontinuerligt övervaka nivåerna av en av dessa antibiotika.
Det specifika antibiotikumet de spårar är vankomycin, som används som en sista försvarslinje för att behandla allvarliga bakterieinfektioner, säger Alex Downs, en Jill Hruby Fellow och projektledare. Kontinuerlig övervakning är avgörande för vankomycin eftersom det finns ett snävt område inom vilket det effektivt dödar bakterier utan att skada patienten, tillade hon.
"Det här är en fantastisk applikation eftersom den kräver noggrann kontroll", säger Philip Miller, en biomedicinsk ingenjör från Sandia som gav råd om projektet. "I en klinisk miljö, hur det skulle hända är att en läkare skulle kontrollera patienten varje timme och begära en blodmätning av vankomycin vid enstaka tidpunkter. Någon skulle komma för att ta blod, skicka det till kliniken och få ett svar tillbaka vid något senare tillfälle. Vårt system är ett sätt att åtgärda den förseningen."
Forskarna delade med sig av hur man tillverkar dessa sensorer och resultaten av deras tester i en artikel som nyligen publicerades i tidskriften Biosensors and Bioelectronics .
Sensorsystemet börjar med en kommersiellt tillgänglig mikronål, som vanligtvis används i insulinpennor. Adam Bolotsky, en materialforskare från Sandia, tar en polymerbelagd guldtråd som är ungefär ¼ tjockt av ett människohår och klipper ena änden i en vinkel. Han för sedan försiktigt in guldtråden i nålen, löder den till en kontakt och ser till att den är elektriskt isolerad. Forskarna konstruerar också referens- och motelektroder på liknande sätt, med belagda silver- och platinatrådar inuti kommersiella mikronålar.
Dessa nålar sätts sedan in i ett plastplåster, storleken på en silverdollar, designad av Sandia-teknologerna Bryan Weaver och Haley Bennett. Denna patch innehåller plats för nio mikronålar men kan justeras för valfritt antal, sa Downs. På den exponerade, diagonala ytan av varje guldtråd fäster forskarna kemiskt sensorerna i nanoskala.
Sensorerna, som kallas aptamerer, är DNA-strängar med en ytlinker i ena änden och en elektriskt känslig kemikalie i den andra. Downs förklarade att när DNA:t binder till antibiotikumet vankomycin, ändrar det sin form, vilket för den elektriskt känsliga kemikalien närmare guldytan. Denna rörelse ökar strömmen som detekteras av sensorsystemet. När koncentrationen av vankomycin minskar återgår en del av DNA:t till sin ursprungliga form, vilket också detekteras elektriskt.
"Denna reversibilitet är användbar för saker som realtidsmätningar," sa Downs. "Om du vill se koncentrationen av en viss kemikalie som finns i huden eller i blodet vid en given tidpunkt, är det verkligen viktigt att kunna mäta ökningar och minskningar."
Downs arbetade med aptamer-sensorn under sin doktorandforskning och tog med sig kunskapen till Sandia, där hon arbetade för att kombinera den med Sandias expertis med mikronålar som kan ge läkare liknande information om en blodtagning med mindre smärta.
"Jag slog ihop min kunskap om aptamer-baserad avkänning och realtidsövervakning med tekniken som Ronen Polsky och Phil Miller hade utvecklat på Sandia," sa Downs. "Genom att integrera dessa två verktyg miniatyriserade vi avkänningssystemet väsentligt och verifierade att det fungerade i en mikronål."
Efter att ha konstruerat mikronålssensorerna testade teamet om en mikronålsensor kunde upptäcka vankomycin i en saltlösning som efterliknar förhållandena inuti kroppen, sa Downs. När de lyckades testade de hela systemet, komplett med referens- och motelektroder, i en mycket mer komplex lösning:outspätt koblod. Systemet kunde fortfarande detektera vankomycin.
Sedan, för att testa om mikronålarna och aptamererna skulle fungera efter att de satts in i huden, satte forskarna in plåstret i grishuden flera gånger, övervakade den elektroniska signalen från plåstret medan det var i huden och testade dess förmåga att upptäcka vankomycin .
"Det var väldigt osäkert om det här skulle upprätthålla en signal när du stoppade in den i huden," sa Downs. "Varje mikronål är sin egen individuella avkänningselektrod. Om sensorerna inte bildar bra elektrisk kontakt, så skulle detta verkligen inte fungera. Det var den största osäkerheten och något vi aldrig hade testat på Sandia."
Sedan man framgångsrikt testade sensorplåstret, är nästa steg att samarbeta med en annan forskargrupp för att testa dem på människor eller andra djur, sa Downs och Miller.
"Nästa stora tekniska hinder är att bevisa att det fungerar i kroppen under en längre tid", sa Miller.
Framöver kan ett liknande system med olika DNA-aptamerer användas för att övervaka cytokiner, små proteiner som används för att förmedla budskap i kroppen, såväl som andra proteiner eller mindre molekyler som förändras avsevärt under infektioner. Dessa system kan hjälpa läkare att diagnostisera vilken sjukdom en patient har snabbare eller till och med hjälpa till med triage under akuta situationer.
Downs har också studerat vilka saker i blodet och huden som kan "täppa till" sensorerna och minska deras noggrannhet över tiden. Hon, tillsammans med sommarpraktikanten Amelia Staats, fann att fibrinogen, ett protein som är involverat i blodkoagulering, är en nyckelbov i signalstörningar. Forskarna planerar att publicera dessa resultat i en kommande uppsats.
"Det här systemet kan verkligen användas var som helst där du har stora kemiska förändringar i kroppen, där du vill mäta dessa förändringar över tid för att bättre förstå vad som händer i kroppen," sa Downs.
Mer information: Alex M. Downs et al, Microneedle elektrokemisk aptamer-baserad avkänning:realtidsmätningar av små molekyler med sensorinbäddade, kommersiellt tillgängliga mikronålar av rostfritt stål, Biosensorer och bioelektronik (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115408
Journalinformation: Biosensorer och bioelektronik
Tillhandahålls av Sandia National Laboratories
