Nowy sensor rewolucjonizuje wykrywanie albendazolu w medycynie

Czy innowacyjne technologie zmieniają diagnostykę?

Przełom w detekcji albendazolu: nowy czujnik optyczno-chemiczny o wysokiej czułości

Naukowcy opracowali innowacyjny sensor optyczno-chemiczny do wykrywania albendazolu (ABZ) – szeroko stosowanego leku przeciwpasożytniczego – wykorzystując technologię interferometrii Fabry’ego-Pérota w połączeniu z polimerami odciskanymi molekularnie (MIP). To pierwsze tego typu rozwiązanie, które łączy wysoką czułość detekcji optycznej z selektywnością rozpoznawania molekularnego w jednym urządzeniu.

Albendazol jest lekiem z grupy benzimidazoli, powszechnie stosowanym w leczeniu zakażeń pasożytniczych zarówno u ludzi, jak i zwierząt. Jego szerokie zastosowanie w medycynie weterynaryjnej, w połączeniu z możliwością kumulacji pozostałości w produktach pochodzenia zwierzęcego i środowisku, czyni niezbędnym opracowanie szybkich i czułych metod jego monitorowania. Dotychczasowe metody analityczne, takie jak wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC), spektrofotometria czy elektroforeza kapilarna, są często kosztowne, czasochłonne i wymagają specjalistycznego personelu.

Nowy sensor wykorzystuje zjawisko interferencji optycznej w mikrownęce Fabry’ego-Pérota utworzonej na czubku światłowodu jednomodowego. “Nasze podejście łączy wysoką czułość transdukcji interferometrycznej z selektywnością chemiczną i wytrzymałością polimerów odciskanych molekularnie” – piszą autorzy badania.

Czy MIP-y rewolucjonizują selektywność sensorów?

Kluczowym elementem sensora jest polimer odciskany molekularnie (MIP), który działa jako syntetyczny receptor specyficzny dla albendazolu. MIP-y oferują interesującą alternatywę dla receptorów biologicznych, takich jak przeciwciała, ze względu na ich wyższą stabilność chemiczną i fizyczną oraz zdolność do funkcjonowania w ekstremalnych warunkach środowiskowych. W przeciwieństwie do przeciwciał, MIP-y zachowują stabilność w szerokim zakresie temperatur, wartości pH i warunków rozpuszczalnikowych, które zazwyczaj denaturowałyby lub degradowały białka, zapewniając tym samym dłuższy okres przydatności do użycia. Synteza MIP-ów jest zazwyczaj tańsza niż produkcja przeciwciał, a ich wytwarzanie może odbywać się na dużą skalę z wysoką powtarzalnością. Co więcej, MIP-y można regenerować wielokrotnie bez utraty wydajności, co czyni je ekonomicznym wyborem dla długoterminowych zastosowań analitycznych.

Badacze wykorzystali klasyczny stosunek molowy pomiędzy matrycą, monomerem funkcyjnym i środkiem sieciującym (1:4:20) do przygotowania roztworu prepolimerowego MIP. Konkretnie, zastosowano kwas metakrylowy (MAA) jako monomer funkcyjny oraz diwinylobenzen (DVB) jako środek sieciujący, z azoizobutyronitrylowym (AIBN) inicjatorem rodnikowym. Mieszanina ta została naniesiona na specjalnie przygotowany czubek światłowodu, tworząc mikrownękę Fabry’ego-Pérota.

Zasada działania sensora opiera się na zmianie współczynnika załamania światła warstwy MIP po związaniu cząsteczek albendazolu. Gdy analit wiąże się z polimerem, powoduje to przesunięcie długości fali odbitego światła w interferometrze, które jest proporcjonalne do stężenia albendazolu. Czy ta metoda detekcji może zrewolucjonizować sposób monitorowania leków przeciwpasożytniczych w praktyce klinicznej?

Czy prosta produkcja idzie w parze z wysoką czułością?

Proces produkcji sensora jest stosunkowo prosty i niedrogi. Najpierw przygotowuje się światłowód jednomodowy poprzez precyzyjne cięcie jego końcówki. Następnie końcówka jest pokrywana fotorezysterem S1813 za pomocą specjalnie zaprojektowanego urządzenia do powlekania zanurzeniowego. Uzyskany menisk fotorezystowy na końcówce światłowodu jest polimeryzowany termicznie w piecu, a następnie naświetlany laserem i wywoływany, co tworzy mikrootwór w regionie rdzenia światłowodu. Finalnie, zmodyfikowana końcówka światłowodu jest pokrywana mieszaniną prepolimerową MIP i poddawana termicznej polimeryzacji przez noc. Po usunięciu matrycy i nieprzereagowanych monomerów poprzez płukanie, warstwa MIP jest stabilna i nie wykazuje utraty materiału podczas pomiarów.

Przeprowadzone testy wykazały, że sensor jest w stanie wykrywać albendazol w stężeniach nanomolarnych, z granicą wykrywalności na poziomie 27 nM. To czyni go jednym z najbardziej czułych narzędzi do detekcji ABZ dostępnych obecnie. Co więcej, sensor wykazał doskonałą selektywność – nie reagował na potencjalne substancje zakłócające, takie jak glukoza, laktoza czy irbesartan, nawet przy ich wysokich stężeniach (500 nM).

Badacze przetestowali również sensor na rzeczywistej próbce farmaceutycznej – tabletce handlowego leku Zentel, zawierającej 400 mg albendazolu jako substancji czynnej. “Uzyskany odzysk na poziomie około 80% w porównaniu do stężenia teoretycznego jest zgodny z oczekiwaniami i mieści się w powszechnie akceptowanym zakresie (80-120%) dla walidacji bioanalitycznej” – podkreślają autorzy.

Czy sensor wygrywa z elektrochemicznymi konkurentami?

W porównaniu do większości czujników i bioczujników opisanych w literaturze, opracowany sensor optyczno-chemiczny wykazuje niższy zakres wykrywania, porównywalny jedynie z dwoma czujnikami elektrochemicznymi. Jednak w przeciwieństwie do rozwiązań elektrochemicznych, które często cierpią z powodu ograniczonej odtwarzalności, wymagają pracochłonnej obróbki powierzchni i są podatne na zakłócenia ze strony substancji elektroaktywnych, sensor oparty na MIP zapewnia wysoce selektywne miejsca wiązania dla ABZ bez potrzeby stosowania znakowania czy instrumentacji elektrochemicznej.

Warto zauważyć, że pomimo dobrej czułości dwóch wspomnianych czujników elektrochemicznych, mają one pewne ograniczenia. Odtwarzalność elektrod jednorazowych jest często ograniczona, wymagają one pracochłonnej obróbki powierzchni i prowadzą do zmienności między partiami. Ponadto, zanieczyszczenie elektrod i zakłócenia ze strony substancji elektroaktywnych w złożonych matrycach mogą zagrozić selektywności i długoterminowej wydajności. Wykorzystywane nanomateriały, takie jak MXeny, również wykazują problemy z utlenianiem i stabilnością, co ogranicza ich okres przydatności. Systemy elektrochemiczne zazwyczaj wymagają dedykowanych potencjostatów i stabilnych elektrod referencyjnych, co komplikuje ich integrację z urządzeniami przenośnymi.

Jakie korzyści niesie to odkrycie dla lekarzy?

Jakie są praktyczne implikacje tego odkrycia dla lekarzy? Przede wszystkim, dostęp do szybkiej i czułej metody wykrywania albendazolu może znacząco poprawić monitorowanie terapii przeciwpasożytniczych. Sensor umożliwia wykrywanie niskich stężeń leku, co jest istotne zarówno dla oceny skuteczności terapii, jak i monitorowania potencjalnych pozostałości w produktach pochodzenia zwierzęcego.

Ponadto, technologia ta otwiera drogę do rozwoju podobnych sensorów dla innych leków, co może zrewolucjonizować sposób monitorowania terapii farmakologicznych w praktyce klinicznej. Połączenie MIP z optycznymi transduktorami toruje drogę do opracowania wytrzymałych i czułych sond analitycznych dla zastosowań w bezpieczeństwie żywności, monitorowaniu środowiska i kontroli farmaceutycznej.

Czy zalety przewyższają ograniczenia?

Główne zalety opracowanego sensora to wysoka czułość, niski koszt, prosty proces wytwarzania i doskonała stabilność chemiczna. Jednak system nadal ma pewne ograniczenia, głównie związane z obecnym etapem miniaturyzacji, który nie pozwala jeszcze na w pełni przenośne pomiary ABZ na miejscu.

Warto podkreślić, że konwencjonalnie interferometry Fabry’ego-Pérota były projektowane i rozwijane do pomiaru wielkości fizycznych, podczas gdy ich zastosowanie w czujnikach chemicznych pozostaje ograniczone. W tym badaniu po raz pierwszy wnękę Fabry’ego-Pérota utworzono przy użyciu warstwy MIP, integrując w ten sposób funkcje rozpoznawania i transdukcji w jednej wnęce optycznej. Takie podejście łączy wysoką czułość transdukcji interferometrycznej z selektywnością chemiczną i wytrzymałością MIP-ów.

Jakie perspektywy na przyszłość otwiera ten sensor?

W przyszłości badacze planują dalszą miniaturyzację sensora i opracowanie w pełni przenośnych urządzeń do detekcji na miejscu, co może znacząco ułatwić pracę lekarzy i laboratoriów klinicznych. Czy ta technologia znajdzie szerokie zastosowanie w praktyce medycznej? Czas pokaże, ale jej potencjał w monitorowaniu terapii przeciwpasożytniczych wydaje się obiecujący.

Podsumowanie

Naukowcy opracowali innowacyjny sensor optyczno-chemiczny do wykrywania albendazolu – popularnego leku przeciwpasożytniczego – łącząc technologię interferometrii Fabry’ego-Pérota z polimerami odciskanymi molekularnie. To pierwsze rozwiązanie tego typu, które osiąga granicę wykrywalności na poziomie 27 nM, przewyższając czułością większość dostępnych metod. Kluczem do sukcesu jest wykorzystanie polimerów MIP, które działają jako syntetyczne receptory specyficzne dla albendazolu, oferując przewagę nad receptorami biologicznymi dzięki wyższej stabilności chemicznej, szerszemu zakresowi warunków pracy i możliwości wielokrotnej regeneracji przy niższych kosztach produkcji. Sensor wykazał doskonałą selektywność, nie reagując na substancje zakłócające, oraz około 80-procentowy odzysk w testach na rzeczywistych próbkach farmaceutycznych. W porównaniu do konkurencyjnych czujników elektrochemicznych, nowe rozwiązanie zapewnia lepszą odtwarzalność i nie wymaga pracochłonnej obróbki powierzchni ani skomplikowanej instrumentacji. Prosty i niedrogi proces produkcji sensora obejmuje modyfikację światłowodu jednomodowego poprzez nałożenie warstwy MIP, co tworzy stabilną mikrownękę optyczną. Dla praktyki klinicznej sensor otwiera możliwości szybkiego monitorowania terapii przeciwpasożytniczych, kontroli pozostałości leku w produktach pochodzenia zwierzęcego oraz rozwoju podobnych narzędzi do wykrywania innych substancji farmaceutycznych. Głównym ograniczeniem pozostaje brak pełnej miniaturyzacji uniemożliwiającej pomiary w terenie, jednak badacze pracują nad przenośnymi wersjami urządzenia, co może zrewolucjonizować sposób monitorowania leków w medycynie, bezpieczeństwie żywności i kontroli środowiska.