Dokładne monitorowanie przebiegu niektórych chorób za pomocą przenośnych urządzeń nadal pozostaje 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 - czytamy w prasowym komunikacie Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN).

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 przepływ 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 IChF PAN pod kierunkiem dr. Krzysztofa Noworyty we współpracy z naukowcami z Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutem Farmaceutycznym w Warszawie (Instytutem Chemii Przemysłowej), Warszawskim Uniwersytetem Medycznym oraz Uniwersytetem Kardynała Stefana Wyszyńskiego 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.

Naukowcy opierli się na rozwiązaniach elektrochemicznych, bowiem 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. Gdy taki lek usunąć, w matrycy pozostają luki, które pasują tylko i wyłącznie do tego określonego kształtu cząsteczki tworząc wysoce selektywną matrycę molekularną. Taka matryca działa niczym trójwymiarowe puzzle, gdzie do określonej układanki pasuje tylko obiekt o odpowiednim kształcie. W rozwiązaniu zaproponowanym przez naukowców z IChF PAN to właśnie cilostazol jest takim puzzlem, a cała trójwymiarowa struktura to molekularna matryca na bazie wspomnianego już polimeru - czytamy w opisie rozwiązania.

„Przedstawione przez nas wyniki są efektem ścisłej współpracy naukowców z różnych środowisk związanych z chemią syntetyczną, modelowaniem kwantowym i analizą farmaceutyczną. I oczywiście bez ciężkiej pracy i pomysłów mgr Jyoti, będącej doktorantką w naszym Instytucie, która była mocno zaangażowana w ten projekt” – zauważa dr Noworyta, cytowany w prasowym komunikacie.

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 inna sprawa - piszą specjaliści z IChF PAN. Wszak płyny w naszym ciele mają skomplikowany skład chemiczny i zawierają setki, a nawet tysiące różnych cząsteczek.

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 polimerową 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 zmienia się. 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" - mówi 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 zaprezentowane przez naukowców z IChF 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 dla niwelacji skutków ubocznych. Dzięki tym badaniom z użyciem selektywnego czujnika możliwe będzie dobranie dawki leku w zależności od indywidualnych parametrów zdrowotnych.

Badania nad monitorowaniem poziomu cilostazolu to dopiero początek. Już teraz badacze pracują nad wykrywaniem i monitorowaniem poziomu w płynach ustrojowych innych leków.

Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie naukowym - Biosensors and Bioelectronics (DOI: 10.1016/j.bios.2021.113542). Badania były realizowane w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki.

PAP - Nauka w Polsce