Nanocząstki srebra rewolucjonizują wykrywanie sotalolu w diagnostyce

Czy nanocząstki srebra usprawnią detekcję sotalolu?

Innowacyjna metoda wykrywania sotalolu z wykorzystaniem nanocząstek srebra otwiera nową drogę w diagnostyce medycznej. Badacze opracowali prostą, czułą i ekonomiczną technikę kolorymetryczną, która może zrewolucjonizować monitorowanie stężenia tego ważnego leku przeciwarytmicznego.

Sotalol, nieselektywny beta-bloker o działaniu antyarytmicznym klasy III, jest powszechnie stosowany w leczeniu migotania przedsionków i kontroli nawracających arytmii komorowych. Dotychczasowe metody wykrywania beta-blokerów we krwi, jak chromatografia czy sensory elektrochemiczne, choć skuteczne, często wymagają czasochłonnych procedur przygotowawczych, stosowania drogich i niebezpiecznych rozpuszczalników oraz zaangażowania specjalistów. Dlatego opracowanie prostej, szybkiej i taniej metody oznaczania sotalolu we krwi stało się istotnym wyzwaniem badawczym.

Techniki kolorymetryczne wyłoniły się jako skuteczne i ekonomiczne metody wykrywania leków w rzeczywistych próbkach. W szczególności, metody badawcze oparte na wykrywaniu kolorymetrycznym z wykorzystaniem nanocząstek jako sondy optycznej, stały się powszechne ze względu na ich wysoką czułość. Tradycyjna analiza kolorymetryczna oparta na nanocząstkach jest zwykle przeprowadzana przy użyciu konwencjonalnych płytek w czytniku płytek, które są niewygodnie stacjonarne i zależne od objętości próbki.

Zespół naukowców wykorzystał nanocząstki srebra (AgNPs) o morfologii pryzmatycznej jako optyczne nanoprobe do wykrywania sotalolu w próbkach ludzkiej plazmy. Innowacyjność metody polega na wykorzystaniu zmian kolorymetrycznych – roztwór AgNPs wykazuje kolor granatowy z absorpcją przy 436 nm, natomiast po interakcji z sotalolem zmienia barwę na żółtą. “Nasze wyniki wskazują, że sotalol posiada podstawowe grupy funkcyjne (grupę aminową, NH₂), które mogą oddziaływać z ujemnym ładunkiem powierzchniowym AgNPs poprzez przyciąganie elektrostatyczne” – wyjaśniają autorzy badania.

Aminy (NH₂) są często protonowane w pH fizjologicznym, tworząc dodatnio naładowane grupy NH₃⁺. Nanocząstki srebra są stabilizowane anionowymi ligandami, takimi jak cytrynian lub chlorek. Dlatego dodatnio naładowana amina sotalolu byłaby przyciągana do powierzchni AgNPs o strukturze nanopryzmatycznej. Reakcja sotalolu z AgNPs może obejmować kilka możliwych interakcji w zależności od warunków (pH, tworzenie dodatnio naładowanych grup NH₃⁺, grupa aminowa NH₂, czynniki redukujące i stabilizatory). Potencjalne ścieżki reakcji obejmują wiązanie, modyfikację powierzchni, przeniesienie ładunku, wiązania wodorowe i oddziaływania π–π.

Jakie nowatorskie platformy diagnostyczne wykorzystano do wykrywania sotalolu?

Opracowana metoda wykorzystuje dwa typy platform diagnostycznych: elastyczny podkład z parafiny (PF) oraz płytkę z polimetakrylanu metylu (PMMA). Czy te materiały mogą stanowić przełom w konstruowaniu tanich urządzeń diagnostycznych? Badacze wybrali parafinę ze względu na jej szeroką dostępność i przyjazność dla środowiska. Druk sitowy woskowy jest przedstawiany jako ekonomiczny sposób tworzenia platform diagnostycznych przy użyciu powszechnie dostępnych drukarek woskowych i niedrogiego papieru do druku.

Proces wytwarzania platform diagnostycznych jest stosunkowo prosty. Materiał zostaje upłynniony w temperaturze 90°C, po czym następuje 30-sekundowe zanurzenie odpowiedniego podłoża. Po wyschnięciu, forma żelazna jest podgrzewana do 85°C przez 10 sekund. Warstwa PF jest ponownie umieszczana między formą a magnesem, promując tworzenie hydrofilowych kanałów, gdy parafina nasyca strukturę PF. Powstały region hydrofilowy jest zaprojektowany w skupisku 28 okręgów jako strefa reakcji. Do produkcji metalowego szablonu o precyzyjnych wymiarach wykorzystano projekt cyfrowy stworzony przy użyciu oprogramowania Corel DRAW.

System został zaprojektowany z układem 28 okrągłych stref rozpoznawania, umożliwiających analizę mikrofluidyczną. Konfiguracja obejmuje centralną strefę okrągłą (o średnicy 5 mm) połączoną z 28 otaczającymi strefami detekcji (o średnicy 12 mm) poprzez wewnętrzne kanały o szerokości 3 mm i długości 9 mm. Ostateczne wymiary platform diagnostycznych wynosiły 50 mm × 50 mm.

W przypadku płytek PMMA, wykorzystano oprogramowanie RDWorkV7 do zaprojektowania układu studzienek o średnicy 5 mm i głębokości 1 mm. Projekt ten został następnie przeniesiony na płytkę PMMA o grubości 2 mm za pomocą frezarki laserowej CNC. Studzienki zostały utworzone poprzez skonfigurowanie lasera do pracy z prędkością 15 i mocą 15,5. Aby oddzielić kontur od pleksiglasu, ostateczny etap cięcia został wykonany poprzez ustawienie lasera.

Czy technologia kolorymetryczna oferuje nowe możliwości analityczne?

Analiza kolorymetryczna opiera się na przetwarzaniu obrazów cyfrowych wykonanych za pomocą smartfona. Naukowcy wykorzystali aplikację Color Picker do analizy wartości CMYK (cyan, magenta, yellow, key/black) uzyskanych z fotografii cyfrowych. Intensywność koloru przekształcono następnie na wartości absorbancji przy użyciu równania Beera-Lamberta. Co istotne, krzywa kalibracyjna uzyskana dla składowej żółtej (Y) wykazała najwyższą wartość R² (0,8964), odzwierciedlając znaczące nachylenie i wyraźną liniowość.

Roztwór AgNPs wykazywał kolor granatowo-niebieski z maksimum absorpcji UV-vis przy 436 nm i emisją w zakresie od 200 do 800 nm. Widmo UV-vis pokazało, że AgNPs mają piki absorpcji przy około 336, 437 i 581 nm. Po interakcji AgNPs z sotalolem kolor roztworu zmienia się na żółty. Widmo UV-vis nanocząstek srebra wykazuje szerokie cechy z trzema wyraźnymi pasmami zlokalizowanymi przy 336, 437 i 581 nm. Po dodaniu sotalolu, po 30 minutach reakcji, pik ten przesunął się do 429 nm, co potwierdziło udaną interakcję sondy optycznej z próbką analitu.

Badacze przeprowadzili również analizę DLS/zeta w celu zbadania interakcji AgNPs z sotalolem. Wyniki DLS wykazały, że średnia wielkość cząstek AgNPs wynosiła 41,38 nm. Co ciekawe, po interakcji AgNPs z sotalolem, średnia wielkość cząstek sondy optycznej zmniejsza się do 33,10 nm, co ilustruje udaną interakcję sondy optycznej z analitem (sotalolem). Dla dodatkowego potwierdzenia wyników uzyskanych metodą spektrofotometryczną i DLS/Zp, obrazy TEM zostały zarejestrowane w dwóch warunkach reakcji przed i po inkubacji sondy optycznej z analitem (sotalolem). Morfologia AgNPrs zmieniła się znacząco do struktury rurowej.

Czy nowy sensor gwarantuje trafność wykrywania sotalolu?

Metoda charakteryzuje się zakresem liniowości 0,001-20 mM i rozsądnym dolnym limitem oznaczalności (LLOQ) wynoszącym 1 μM. Jak pokazały badania, stężenie sotalolu ma znaczący wpływ na mechanizm wykrywania kolorymetrycznego tego leku. Dla wyższych stężeń (6-20 mM) proces wykrywania kończy się po 30 minutach, podczas gdy dla niższych stężeń (1 μM do 6 mM) proces ten trwa 60 minut. Jest to związane z kinetyką reakcji i stężeniem analitu (dwoma głównymi czynnikami wpływającymi na wspomniany mechanizm wykrywania).

Korzystając z platformy PF lub płytki PMMA, badacze opracowali dwa rodzaje urządzeń testowych do badania systemu rozpoznawania opartego na PCD do wykrywania sotalolu. System wykorzystuje technologię pianki woskowej, eliminując potrzebę specjalnych warunków urządzenia. Aby zintegrować system analizy kolorymetrycznej sotalolu z płytkami PF i PMMA systemu PCD, połączono je w stosunku 1:1 v/v z roztworem sondy AgNPs w stosunku 1:1 v/v o stężeniu 10 μL, 10 μL, zmiana koloru szybko się rozpoczyna, a AgNPs wykazują zauważalną zmianę po 30 minutach. Kolor przeszedł z niebieskiego na żółty, stając się wyraźnie żółtym po 30 minutach.

Aby ocenić selektywność proponowanej metody kolorymetrycznej do wykrywania sotalolu, mieszaninę AgNPs/sotalol i czynnika hamującego (w stosunku 1:0,5:0,5 v/v/v) naniesiono na każdą ze stref wykrywania. Początkowo strefy wykrywania PCD zostały załadowane AgNPs, AgNPs/sotalol/famotydyna, AgNPs/AgNPs/sotalol/indometacyna, AgNPs/sotalol/diazepam, AgNPs/sotalol/kwas moczowy, AgNPs/sotalol/ibuprofen, AgNPs/sotalol/bilirubina, AgNPs/sotalol (1 M)/kodeina, AgNPs/sotalol/pantoprazol. Całkowita zmiana koloru na jasnoróżowy po 30 minutach reakcji została uzyskana tylko dla mieszanin (interferencje/sotalol)/AgNPs. Ponieważ dodanie gatunku interferującego zmniejszyło o połowę stężenie sotalolu, mogło być uzasadnione, że kolor AgNPs nie zmienił się w innych mieszaninach.

Porównując wyniki z wcześniej opublikowanymi pracami, badacze podkreślają, że opracowana metoda oferuje kilka przewag nad poprzednimi podejściami, takich jak zwiększona stabilność, odpowiednia powierzchnia i wykonalna aktywność biologiczna. “Uważamy, że proponowane podejście stanowi wiarygodny biotest do ilościowej analizy sotalolu w rzeczywistych próbkach. Pod względem odpowiedzi, proponowane podejście chemosensoryczne przewyższa wcześniejsze metody” – zaznaczają autorzy.

Czy to odkrycie wpłynie na codzienną praktykę lekarską?

Zbudowaną platformę kolorymetryczną wykorzystano również do wykrywania spikowanego sotalolu w próbkach osocza przez AgNPs stabilizowane na fiolce szklanej i płytce PMMA. Na podstawie wyników uzyskanych z testu porównawczego, różne stężenia (0,001 do 20 mM) spikowanego sotalolu w próbce ludzkiego osocza zmieszano z AgNPs w stosunku 1:0,5:0,5 v/v/v. Następnie analizowano je metodami kolorymetrycznymi CMYK. Według uzyskanych wyników, stężenia niższe niż 2 mM nie mogły zmienić koloru mieszaniny, a na płytce PMMA stężenia niższe niż 2 mM nie mogły zmienić koloru mieszaniny.

Dodatkowo, modułowa konstrukcja platformy może być dostosowana do wykrywania innych leków poprzez prostą modyfikację strategii funkcjonalizacji. Czy oznacza to, że w przyszłości lekarze będą mogli szybko i tanio monitorować stężenie wielu leków bezpośrednio w gabinetach? Takie rozwiązanie mogłoby znacząco poprawić bezpieczeństwo i skuteczność farmakoterapii.

Czy test kolorymetryczny zmieni przyszłość diagnostyki lekowej?

Podsumowując, przedstawione badanie oferuje prosty, wysoce czuły test wykorzystujący platformę macierzy mikrostudzienek o wysokiej przepustowości do monitorowania sotalolu jako powszechnie stosowanego leku w terapii przeciwarytmicznej. Opracowana metoda stanowi znaczący krok w kierunku bardziej dostępnych, ekonomicznych i skutecznych narzędzi diagnostycznych, które mogą znaleźć zastosowanie zarówno w zaawansowanych laboratoriach, jak i w regionach o ograniczonych zasobach medycznych. Wyniki analityczne uzyskane dla proponowanego chemosensora kolorymetrycznego opartego na AgNPs były porównywalne z innymi doniesieniami, ponieważ ten system kolorymetryczny ma odpowiedni zakres liniowości 0,001-20 mM i posiada rozsądny LLOQ wynoszący 1 μM. Opracowano również dwie nowatorskie platformy diagnostyczne do przenośnej analizy sotalolu w próbkach ludzkiego osocza. Dzięki platformie kolorymetrycznej sotalol został oznaczony ilościowo w objętości mikrolitrowej w ciągu 5 minut reakcji z AgNPs.

Podsumowanie

Zespół badawczy opracował innowacyjną metodę wykrywania sotalolu w próbkach osocza, wykorzystując nanocząstki srebra o morfologii pryzmatycznej. Technika opiera się na zmianach kolorymetrycznych, gdzie roztwór AgNPs zmienia barwę z granatowej na żółtą po interakcji z sotalolem. Do realizacji badań wykorzystano dwie platformy diagnostyczne: elastyczny podkład z parafiny oraz płytkę z polimetakrylanu metylu. Metoda charakteryzuje się zakresem liniowości 0,001-20 mM i limitem oznaczalności wynoszącym 1 μM. Analiza opiera się na przetwarzaniu obrazów cyfrowych wykonanych smartfonem, wykorzystując aplikację Color Picker do analizy wartości CMYK. Opracowane rozwiązanie stanowi ekonomiczną i skuteczną alternatywę dla dotychczasowych metod wykrywania beta-blokerów, oferując możliwość szybkiej analizy w warunkach klinicznych przy użyciu minimalnej objętości próbki.