نویسنده: مولی رپ
از زمان کشف پنی‌سیلین در سال 1928، باکتری‌ها راه‌های متعددی را برای اجتناب یا نادیده گرفتن کامل اثرات آنتی‌بیوتیک‌ها ایجاد کرده‌اند. خوشبختانه، ارائه دهندگان مراقبت های بهداشتی دارای زرادخانه ای از آنتی بیوتیک های نادر هستند که هنوز در برابر گونه های باکتریایی مقاوم هستند.
محققان در آزمایشگاه ملی ساندیا کارهای قبلی را با هم ترکیب کردند میکروسوزن های بدون درد با استفاده از حسگرهای نانومقیاس برای ایجاد یک پچ حسگر پوشیدنی که قادر به نظارت مستمر سطوح یکی از این آنتی بیوتیک ها است.
الکس داونز گفت: آنتی بیوتیک خاصی که آنها ردیابی می کنند وانکومایسین است که به عنوان آخرین خط دفاعی برای درمان عفونت های شدید باکتریایی استفاده می شود. همکار جیل هروبی و مدیر پروژه وی افزود که نظارت مداوم برای وانکومایسین بسیار مهم است زیرا محدوده باریکی وجود دارد که در آن به طور موثر باکتری ها را بدون آسیب رساندن به بیمار از بین می برد.
فیلیپ میلر، مهندس زیست پزشکی ساندیا که در حال مشاوره در این پروژه است، گفت: «این یک برنامه کاربردی عالی است زیرا به کنترل دقیق نیاز دارد. در یک محیط بالینی، اگر پزشک بیمار را هر ساعت چک کند و یک بار اندازه گیری وانکومایسین در خون را در یک نقطه زمانی خاص بخواهد، این اتفاق می افتد. یکی می آمد خون می گرفت، می فرستاد درمانگاه و بعداً جواب می گرفت. سیستم ما یکی از راه‌های مقابله با این تاخیر است.»
محققان نحوه ساخت این حسگرها و نتایج آزمایشات آنها را در مقاله ای که اخیراً در مجله علمی منتشر شده به اشتراک گذاشتند. بیوسنسورها و بیوالکترونیک.
سیستم حسگر با یک میکروسوزن تجاری موجود که معمولاً در قلم های انسولین استفاده می شود شروع می شود. آدام بولوتسکی، دانشمند مواد در ساندیا، یک سیم طلایی با پوشش پلیمری به ضخامت یک تار موی انسان را می گیرد و یک سر آن را با زاویه می برد. سپس سیم طلا را با دقت وارد سوزن کرد، آن را به یک رابط لحیم کرد و مطمئن شد که از نظر الکتریکی جدا شده است. محققان همچنین الکترودهای مرجع و شمارنده را به روشی مشابه با استفاده از سیم‌های نقره‌ای و پلاتین روکش شده در میکروسوزن‌های تجاری ساختند.
سپس این سوزن‌ها در یک تکه پلاستیکی نقره‌ای به‌اندازه دلار که توسط برایان ویور و هیلی بنت، فن‌آوران Sandia طراحی شده، وارد می‌کنند. داونز گفت: این پچ شامل 9 میکروسوزن است، اما برای هر تعداد قابل تنظیم است. محققان روی سطح مورب هر سیم طلایی، حسگرهای نانومقیاس را به صورت شیمیایی متصل می‌کنند.
این حسگرها که آپتامر نامیده می‌شوند، رشته‌هایی از DNA هستند که در یک انتها یک پیوند سطحی و در طرف دیگر یک ماده شیمیایی حساس به الکتریکی دارند. داونز توضیح داد که وقتی DNA به آنتی بیوتیک وانکومایسین متصل می شود، شکل آن تغییر می کند و این ماده شیمیایی حساس الکتریکی را به سطح طلا نزدیک می کند. این حرکت جریان شناسایی شده توسط سیستم حسگر را افزایش می دهد. هنگامی که غلظت وانکومایسین کاهش می یابد، مقداری از DNA به شکل اولیه خود باز می گردد که به صورت الکتریکی نیز تشخیص داده می شود.
داونز گفت: «این برگشت پذیری برای چیزهایی مانند اندازه گیری بلادرنگ مفید است. “اگر می خواهید غلظت یک ماده شیمیایی خاص را در پوست یا خون در هر زمان مشاهده کنید، توانایی اندازه گیری افزایش و کاهش بسیار مهم است.”
داونز در طول دکترای خود با حسگر آپتامر کار کرد و دانش را با خود به ساندیا آورد، جایی که در حال کار است تا آن را با تجربه ساندیا با میکروسوزن‌ها ترکیب کند که می‌تواند اطلاعاتی مشابه با خون‌گیری با کمی درد را در اختیار پزشکان قرار دهد.
داونز گفت: “من دانش خود را در مورد نظارت بر پایه آپتامر و زمان واقعی با فناوری که رونن پولسکی و فیل میلر در Sandia توسعه داده بودند ترکیب کردم.” با ادغام این دو ابزار، سیستم حسگر را به طور قابل توجهی کوچک کرده ایم و تأیید می کنیم که در یک میکروسوزن کار می کند.
داونز گفت، پس از ساخت حسگرهای میکرونیدل، این تیم آزمایش کردند که آیا یک حسگر میکرونیدل می تواند وانکومایسین را در سالین تشخیص دهد و شرایط داخل بدن را تقلید کند. پس از موفقیت، آنها کل سیستم را با الکترودهای مرجع و شمارنده در یک محلول بسیار پیچیده تر آزمایش کردند: خون رقیق نشده گاو. این سیستم همچنان می تواند وانکومایسین را تشخیص دهد.
در مرحله بعد، برای آزمایش اینکه آیا میکروسوزن‌ها و آپتامرها پس از قرار دادن در پوست کار می‌کنند یا خیر، محققان این پچ را چندین بار در پوست خوک قرار دادند، سیگنال الکترونیکی پچ را در حالی که روی پوست بود نظارت کردند و توانایی آن را در تشخیص وانکومایسین آزمایش کردند. .
داونز گفت: «بسیار نامشخص بود که آیا وقتی آن را در پوست قرار می دهید، سیگنالی را حفظ می کند یا خیر. هر ریزسوزن الکترود حسگر مخصوص به خود است. اگر حسگرها تماس الکتریکی خوبی برقرار نکنند، واقعاً کار نخواهد کرد. این بزرگترین عدم قطعیت و چیزی بود که ما هرگز در Sandia آزمایش نکرده بودیم.
داونز و میلر گفتند، پس از آزمایش موفقیت آمیز سیستم پچ حسگر، گام بعدی همکاری با یک گروه تحقیقاتی دیگر برای آزمایش آنها بر روی انسان یا حیوانات دیگر است.
میلر گفت: “موانع فنی بزرگ بعدی ثابت می کند که در بدن در مدت زمان طولانی کار می کند.”
با نگاهی به آینده، می‌توان از یک سیستم مشابه با آپتامرهای DNA مختلف برای نظارت بر سیتوکین‌ها، پروتئین‌های کوچکی که برای انتقال پیام‌ها در بدن استفاده می‌شوند، و همچنین سایر پروتئین‌ها یا مولکول‌های کوچک‌تری که در طول عفونت تغییر می‌کنند، استفاده کرد. این سیستم ها می توانند به پزشکان کمک کنند تا سریعتر بیماری بیمار را تشخیص دهند یا حتی در شرایط اضطراری به تریاژ کمک کنند.
داونز همچنین بررسی کرده است که چه چیزهایی در خون و پوست می توانند حسگرها را مسدود کرده و دقت آنها را در طول زمان کاهش دهند. او به همراه کارآموز تابستانی آملیا استاتز دریافتند که فیبرینوژن، پروتئینی که در لخته شدن خون نقش دارد، مقصر اصلی تداخل سیگنال است. محققان قصد دارند این یافته ها را در مقاله ای آتی منتشر کنند.
داونز می‌گوید: «این سیستم را می‌توان واقعاً در هر جایی که تغییرات شیمیایی بزرگی در بدن دارید استفاده کرد، جایی که می‌خواهید آن تغییرات را در طول زمان اندازه‌گیری کنید تا بهتر بفهمید در بدن چه می‌گذرد.
###
آزمایشگاه ملی Sandia یک آزمایشگاه چند ماموریتی است که توسط National Technology and Engineering Solutions Sandia LLC، یک زیرمجموعه کاملاً متعلق به Honeywell International Inc. برای اداره امنیت ملی هسته ای وزارت انرژی ایالات متحده اداره می شود. آزمایشگاه های Sandia دارای مسئولیت های اصلی تحقیق و توسعه در بازدارندگی هسته ای، امنیت جهانی، دفاع، فن آوری انرژی و رقابت اقتصادی است، با تاسیسات اولیه در آلبوکرکی، نیومکزیکو، و لیورمور، کالیفرنیا.