Группа инженеров и биотехнологов из Фрайбургского университета впервые показала на млекопитающих, что концентрацию антибиотиков в организме можно определить по дыхательным пробам.
Показатели дыхания соответствовали концентрации антибиотиков в крови. Созданный командой биосенсор - мультиплексный чип, позволяющий одновременно измерять несколько образцов и тестируемых веществ - в будущем позволит персонализировать дозировку лекарств против инфекционных заболеваний на месте и поможет свести к минимуму развитие резистентных штаммов бактерий. В основе работы сенсора лежат синтетические белки, которые реагируют на антибиотики и таким образом генерируют изменение тока. Результаты работы публикуются в журнале Advanced Materials.
Исследователи протестировали биосенсор на образцах крови, плазмы, мочи, слюны и в дыхательных пробах свиней, получавших антибиотики. Они смогли показать, что результат, полученный с помощью биосенсоров в плазме крови свиней, был таким же точным, как и в стандартном методе медицинской лаборатории. Ранее измерение уровня антибиотиков в образцах выдыхаемого воздуха было невозможно: "До сих пор исследователи могли обнаружить только следы антибиотиков в дыхании. С нашими синтетическими белками на микрофлюидном чипе мы можем определить мельчайшие концентрации в конденсате выдыхаемого воздуха, и они коррелируют с показателями крови", - объясняет руководитель исследования Кэн Динсер.
Врачам необходимо поддерживать уровень антибиотиков в пределах индивидуально подобранного терапевтического диапазона для пациентов, страдающих тяжелыми инфекциями. "Быстрый мониторинг уровня антибиотиков был бы огромным преимуществом в больнице", - говорит Динсер, - "возможно, этот сенсор можно будет встроить в обычную лицевую маску". В рамках другого проекта во Фрайбургском университете Динсер разрабатывает носимые бумажные датчики для непрерывного измерения биомаркеров из выдыхаемого воздуха. Планируются клинические испытания для проверки биосенсора антибиотиков путем тестирования системы на пациентах.
Микрофлюидный биосенсор содержит белки, способные распознавать бета-лактамные антибиотики, нанесенные на полимерную пленку. Антибиотик, содержащийся в образце, и бета-лактам, связанный с ферментом, конкурируют за связывание этих бактериальных белков. Эта конкуренция порождает изменение тока - как в батарейке: чем больше антибиотика присутствует в образце, тем меньше образуется ферментного продукта, что приводит к снижению измеряемого тока. Процесс основан на естественном рецепторном белке, который бактерии используют для обнаружения угрожающих им антибиотиков.
"Можно сказать, что мы побеждаем бактерии в их собственной игре",
- говорит Динсер о методике, разработанной его группой.
H. Ceren Ates et al. Мультиплексный терапевтический лекарственный мониторинг антибиотиков point-of-care с использованием биосенсоров (аннотация).
Персонализированная антибиотикотерапия гарантирует, что концентрация антибиотика остается в оптимальном терапевтическом окне, чтобы максимизировать эффективность, минимизировать побочные эффекты и избежать возникновения лекарственной резистентности из-за недостаточной дозировки. Однако такие индивидуализированные схемы требуют частого отбора проб для определения концентрации антибиотиков в крови. Для оптимальной интеграции терапевтического лекарственного мониторинга (TDM) в клинический рабочий процесс уровни антибиотиков можно либо измерять в крови с помощью тестирования point-of-care (POCT), либо полагаться на неинвазивный отбор проб.
В данном исследовании представлен antibody-free универсальный биосенсор для TDM. Платформа оценена в исследовании на животных, где концентрации антибиотиков определялись в различных матрицах, включая цельную кровь, плазму, мочу, слюну и конденсат выдыхаемого воздуха (EBC). Продемонстрированы клиренс и временная оценка уровней антибиотиков в ЕВС и плазме. Влияние матричных эффектов на измеренные концентрации препаратов определялось путем сравнения уровней в плазме с уровнями в неинвазивных образцах.
Потенциал системы для POCT на основе крови дополнительно проиллюстрирован отслеживанием концентрации ß-лактамов в необработанных образцах крови. Наконец, возможности мультиплексирования успешно используются для анализа нескольких аналитов/образцов. Обеспечивая быстрый, недорогой, независимый от образца и мультиплексный TDM point-of-care, эта система может изменить парадигму стратегии "один размер подходит для всех".
Использование предлагаемого микрофлюидного биосенсора (miLab) в предполагаемом сценарии POC. Инвазивные и неинвазивные образцы, собранные у свиней Ландрас, которым вводили избыточную, нормальную и недостаточную дозы пиперациллина/тазобактама, анализируются с помощью электрохимического биосенсора. Чип miLab состоит из двух последовательных зон, разделенных гидрофобным стопорным барьером. Отделяя зону электрохимического детектирования от зоны иммобилизации, наша платформа может обойти проблему загрязнения электродов и работать со сложными биологическими жидкостями, такими как цельная кровь. Конкурентный анализ без антител с использованием пенициллин-связывающих белков позволяет быстро (менее 90 минут) и высокочувствительно (в диапазоне нг мл-1) определять ß-лактамы. В сочетании с мультиплексной микрофлюидикой, биосенсор может быть использован для измерения нескольких аналитов/образцов, а также в исследованиях PK/PD и корреляции для индивидуализированной лекарственной терапии.
