基于可穿戴微针的电化学适体生物传感贴片，用于窄治疗窗药物的精确给药
2022-12-10 15:04:10   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

治疗药物监测（TDM）对于治疗窗窄的药物递送（给药）至关重要。然而，其标准方法不精确，涉及侵入性及资源密集型程序，并且周转时间长。据麦姆斯咨询报道，为了克服这些局限，美国加州大学洛杉矶分校（University of California, Los Angeles）和斯坦福医学院（Stanford School of Medicine）的研究人员提出了一种基于微针的电化学适体生物传感贴片——μNEAB贴片，该贴片以微创方式探测间质液（ISF），并对流通药物的药代动力学（PK）进行相关、连续以及实时监测。

μNEAB贴片是根据引入的低成本制造方案创建的，该方案将缩短的临床级针头转化为高质量的金纳米粒子基质，用于牢固的适体固定和高效的电化学信号检索。这使得其能够在体内可靠地检测大量间质液分析物，尤其是那些不存在天然识别元素的分析物。因此，研究人员开发了针对各种药物的μNEAB贴片，包括治疗窗窄的抗生素（妥布霉素和万古霉素）。通过活体动物研究，研究人员证明了间质液/药物循环水平与该装置在及时预测药物总暴露量方面的潜在临床应用之间的强相关性。

原则上，针对非侵入性/侵入性可及生物流体的可穿戴生物传感器可以通过药物水平的无缝、连续和实时监测，来解决当前治疗药物监测实践中遇到的限制（图1B）。因此，探测间质液是一种可行的方法。广泛的药物分配到间质液，其与血液循环水平高度相关，其中许多可能不会扩散到其它可接触的生物体液（如汗液和唾液）中。此外，在抗生素治疗的前提下，探测间质液是很有利的，因为间质液室通常是药物活性的预期位点，同时，许多细菌感染正是在这个空间开始和发展的。在这种情况下，与基于血液的对应物相比，基于间质液的测量可以提供更直接的见解。

图1 μNEAB贴片用于可穿戴治疗药物监测

间质液中的分子信息可以借助微针装置以微创方式检索。微针具有锋利、机械坚固和短针状特征，能够轻松无断裂地穿透皮肤，并且患者感受不到疼痛或者仅感受到一点疼痛。通过将电化学传感功能与微针的皮肤穿刺功能相结合，微针装置可适用于皮肤内间质液分析物的样本响应定量。然而，已证实的基于微针的电化学传感器依赖于酶或离子载体进行分析物识别，排除了多种识别元素不可用的药物分子。

为了说明该方法的通用性，研究人员通过将相应的寡核苷酸适配子固定在AuNP（金纳米颗粒）微针（低成本的金纳米颗粒涂层金微针表面）基质上，开发了额外的基于微针的电化学适体生物传感器（EAB，针对靶向万古霉素、阿霉素和凝血酶，妥布霉素除外）。如图2C和2D）所示，对于所有四种情况，相应的生物传感器响应和分析物浓度呈现单调关系，装置间变化最小。此处，使用相对峰值电流变化来表示传感器响应，以最小化装置间变化。

图2 μNEAB贴片的开发与表征

为了评估生物传感器的连续响应，研究人员使用了模状凝胶设置和完整的μNEAB贴片（包括妥布霉素适体固定化工作电极、银/氯化银（Ag/AgCl）参比电极和金电极对，均基于微针）。他们特别使用了三种预先加入不同妥布霉素浓度的测试凝胶，共同代表了真皮间质液中分析物浓度的变化。研究人员旋转这些测试凝胶，并连续记录μNEAB贴片的响应（将装置插入凝胶中）。如图3A所示，μNEAB对妥布霉素产生快速（不到1分钟）、高度稳定和可逆的反应，表明其对组织样品环境中的持续间质液生物监测具有很高的适用性。

图3 体外μNEAB贴片的表征

接下来，研究人员扩展了这项研究，以研究妥布霉素的药代动力学特性与给药剂量的关系（在三只大鼠上进行）。对于每只大鼠，他们至少间隔1周进行相关实验，以避免遗留效应。如图4C。

令人鼓舞的是，尽管存在各种变化，但μNEAB贴片生成的间质液读数仍然可靠地捕捉了循环药代动力学特征。图4F显示了AUC_blood（药时曲线下面积）和AUC_ISF（确定系数（R²）=0.99）以及AUC_blood和R_max（R²=0.97）之间的高度相关性。这些结果表明，μNEAB贴片提供的实时连续的间质液读数可用于预测受试者的总药物暴露量，以精确给药（尽管必须注意，在较高浓度下，R_max增加的预测误差）。具体地，当使用最大响应值时，反馈时间可以减少到约15分钟。这提供了在预期的治疗窗口或到下一次给药的时间间隔内微调剂量的可能性。

图4 通过μNEAB贴片进行体内间质液相关研究

该μNEAB贴片提供的连续间质液分析物读数显示了AUC_ISF和R_max（传感器响应的最大值）与动物总药物暴露量的高度相关性。这些结果证明了研究人员的解决方案在精确给药方面的潜在临床实用性。特别是，使用传感器响应的最大值作为药物暴露的指标可能具有巨大的价值。它将药物循环药代动力学的提取时间从几个小时（低谷期：约12小时；样品分析：约6至12小时）缩短至几分钟。通过这种方式，新技术能够及时反馈剂量调整和其它干预措施，例如延长给药时间间隔。这将有效地最大化治疗效果，同时最小化毒性和不良影响。值得强调的是，在抗生素循环药代动力学中观察到受试者间有巨大差异。这些观察进一步强调了迫切需要以更高的频率和更高的精度执行治疗药物检测，这与新技术提供的可能性一致。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4539

延伸阅读：

《可穿戴传感器技术及市场-2022版》

《给药应用的微针专利态势分析-2020版》

《电子皮肤贴片技术及市场-2022版》