Anal. Chem. | 基于微针的适配体传感器用于连续实时治疗药物监测
可穿戴和自主传感技术的开发能够连续实时监测临床相关治疗、代谢物和生物标志物，从而极大地改变我们研究、理解、诊断和治疗疾病的方式。通过实时监测患者特异性的药代动力学、药效学和毒理学，可以实现高精度和个性化的药物治疗。组织间液（ISF）的组成与全身血液中的分子浓度密切相关，可快速反映血液中的浓度变化，因此可以用于实时分子浓度监测。之前的微针传感器只能检测发生氧化还原反应的分子，无法检测代谢物、生物标记物和非氧化还原活性的分子。来自加州大学圣地亚哥分校和约翰霍普金斯大学医学院的研究团队首次研制出基于微针和适配体的电化学传感器，实现了基于亲和相互作用的分子识别，极大地扩大了可感知分子的范围，实现连续实时治疗药物监测。相关工作于今年6月发表在《Analytical Chemistry》，标题“Microneedle Aptamer-Based Sensors for Continuous, Real-Time Therapeutic Drug Monitoring”，通讯作者是Joseph Wang和Netzahualcóyotl Arroyo-Currás教授。
微针的优势
连续血糖监测仪已经成功地使用ISF葡萄糖水平作为血糖浓度的替代指标。由于穿过皮肤角质层就能触及真皮层内的ISF，基于微针的可穿戴分子监测仪可以做到微创和无痛检测。由于微针的深度较浅(∼1mm)，微针既不能到达神经末梢，也不能到达真皮内的血管系统。
该基于电化学适配体（E-AB）的传感器由一个混合自组装的单层电去阻烷硫醇与烷硫醇和氧化还原报告修饰的适配体组成。该器件具有高重现性（接线后效率约为90%），包含16个工作电极、4个计数器和1个参考微针电极。在目标存在的情况下，适配体经历可逆的结合诱导的构象变化，从而影响Redox reporter和金针之间的电子转移(eT)。这种传感机制是可逆的。为了实现连续的药物监测，传感器通过方波伏安法(SWV)进行连续测定，时间间隔在4.5到12s之间。
微针E-AB传感器阵列用于体外实时分子监测
研究者使用生物相容性的甲基丙烯酸甲酯树脂3D打印了流动细胞来模拟体内药物代谢过程。为了进行快速测试，生产了高度约2.264mm，直径约170μm的钝性微针（不适合穿透皮肤）。选择妥布霉素结合适配体进行比较，因为它是E-AB平台上研究最多的配体之一。为了评估传感性能，在静态缓冲溶液中建立了校准曲线，通过增加妥布霉素的浓度，并分别在800Hz和150Hz时，通过SWV测量传感器的响应。每4.5s连续询问微针E-AB，同时以0.66 mL/min的速率流动缓冲液。使用开放访问的Python脚本SACMES实现实时数据处理和可视化。为了模拟体内滴定，在收集初始9分钟的基线后，注射了3种目标浓度为250μM的妥布霉素，250μM，600μM和1mM。另外，使用KDM策略，从800Hz的实时测量数据中减去在150Hz收集的数据，来实时校正基线漂移。
实现高可重复性、多用途测量
使用传感器原型设计的微针制造成本相对较高。为使技术开发过程更加方便和经济，开发了一个方法，允许每个微针设备重用E-AB原型超过3次，而不影响E-AB信号。该清洗步骤包括一系列化学和电化学清洗步骤：比如在纯乙醇中浸泡10分钟，用0.5 M NaOH 和0.5 M H2SO4电化学清洗；重复三次后用10% 金清洗溶液 (SIGMA #667978) 孵育10s后进行电化学清洗。利用伏安法评价清洗效率。结果表明在任何给定的目标浓度下，测量结果的相对标准偏差在10%以内。相比之下，对未经处理的微针进行测量，在相同的目标浓度下显示出较低的信号输出和较高的基线噪声。
多路监测及动物实验
伊立替康( irinotecan)是一种化疗前药，SN-38是其主要代谢产物。阿霉素（Dox）是一种化疗药物，经常用于治疗某些白血病和霍奇金淋巴瘤。该研究中证明可实现伊立替康+SN-38同时检测和伊立替康+阿霉素同时检测。最后，在一只麻醉后大鼠的皮肤上部署微针E-AB传感器阵列，并在静脉给药后对抗生素妥布霉素进行持续监测，证明微针E-AB传感器阵列可以很容易地实现在体内分子的连续、实时监测。用于动物实验的微针更小，电子设备被封装在3D打印的塑料盒中。H&E染色的皮肤组织显示大鼠皮肤中微针插入后留下的一个穿透性痕迹，证明微针穿透表皮层到达真皮层。可观察到在妥布霉素静脉给药时电流的突然变化。未来将进一步减轻伏安测量中的环境噪声，并延长传感器在体内的运行寿命。
总的说来，本文报道了第一个微针E-AB传感器阵列，用于连续监测治疗药物。创新点有以下五点：(1)金微针传感器的设计和制造，使用已建立的方法实现E-AB功能化；（2）3D打印流体装置，模拟体内代谢动力学，以证明微针E-AB阵列实现了连续的药物实时监测；(3)提出一种清洁方案，以成功地再生微针表面，以实现重复使用；（4）使用一种新报道的适配体对前药及其代谢物进行多路监测；（5）在一只啮齿动物的ISF中进行实时药物检测验证。
