Molekularna układanka

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. I choć ogólnodostępność takich akcesoriów jest pozornie kojarzona ze śledzeniem naszej aktywności podczas uprawiania sportu, to tak naprawdę po cichu zrewolucjonizowała medycynę, umożliwiając choćby pomiar pulsu lub poziomu glukozy we krwi bez konieczności odwiedzania punktów diagnostycznych, ot tak, w domowym zaciszu. Niestety, nadal brakuje czujników dzięki którym moglibyśmy szybko i łatwo wykrywać wiele chorób, nie wspominając już o monitorowaniu poziomu określonych terapeutyków w płynach ustrojowych, szczególnie podczas długotrwałego leczenia. Wychodząc temu naprzeciw, naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) we współpracy z naukowcami z Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutu Farmaceutycznego (obecnie Instytut Chemii Przemysłowej), Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego oraz Uniwersytetu im Kardynała Stefana Wyszyńskiego w Warszawie, pracujący pod kierunkiem dr Krzysztofa Noworyty opracowali nowatorski czujnik chemiczny służący do pomiaru kilku parametrów w zaledwie pojedynczej kropli płynów ustrojowych. Naukowcy stworzyli unikalną platformę do wykrywania poszczególnych związków chemicznych w ciągu kilku minut.  A wszystko po to, aby szybko zdiagnozować pacjenta, i to to bez wychodzenia z domu. Przyjrzyjmy się bliżej ich doniesieniu naukowemu.

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. 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 IChF PAN pod kierunkiem dr Krzysztofa Noworyty we współpracy z naukowcami z Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytutem Farmaceutycznym w Warszawie (obecnie 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. 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 się 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.

„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.

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. 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 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.

Dr Noworyta twierdzi: „Wykazaliśmy, że skonstruowane przez nas czujniki mogą pomóc zoptymalizować dawkowanie leków i diagnostykę w zakresie badania stężenia cilostazolu i jego metabolitów w płynach ustrojowych".

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 celem niwelacji skutków ubocznych. Dzięki tym badaniom z użyciem selektywnego czujnika możliwe będzie dobranie dawki leku w zależności od indywidualnych parametrów zdrowotnych i co najważniejsze, badania nad monitorowaniem poziomu cilostazolu to dopiero początek. Już teraz badacze pracują nad wykrywaniem i monitorowaniem poziomu w płynach ustrojowych innych leków, zatem z pewnością jeszcze o nich wkrótce usłyszymy. Badanie zostało opublikowane 2 sierpnia 2021 w czasopiśmie naukowym - Biosensors and Bioelectronics.

Badania były realizowane w ramach grantu Narodowego Centrum Nauki (NCN) nr 2018/29/B/ST7/02552

PUBLIKACJE NAUKOWE:
“Molecularly imprinted polymer nanoparticles-based electrochemical chemosensors for selective determination of cilostazol and its pharmacologically active primary metabolite in human plasma”
Jyoti, Carlo Gonzato, Teresa  ̇Zołek, Dorota Maciejewska, Andrzej Kutner, Franck Merlier, Karsten Haupt, Piyush Sindhu Sharma, Krzysztof R. Noworyta, Wlodzimierz Kutner
Biosensors and Bioelectronics 193 (113542), 1-9
DOI: 10.1016/j.bios.2021.113542