基于微針的電化學適體可穿戴生物傳感貼片——μNEAB貼片

治療藥物監(jiān)測（TDM）對于治療窗窄的藥物遞送（給藥）至關重要。然而，其標準方法不精確，涉及侵入性及資源密集型程序，并且周轉時間長。據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了克服這些局限，美國加州大學洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）和斯坦福醫(yī)學院（Stanford School of Medicine）的研究人員提出了一種基于微針的電化學適體生物傳感貼片——μNEAB貼片，該貼片以微創(chuàng)方式探測間質液（ISF），并對流通藥物的藥代動力學（PK）進行相關、連續(xù)以及實時監(jiān)測。

μNEAB貼片是根據(jù)引入的低成本制造方案創(chuàng)建的，該方案將縮短的臨床級針頭轉化為高質量的金納米粒子基質，用于牢固的適體固定和高效的電化學信號檢索。這使得其能夠在體內(nèi)可靠地檢測大量間質液分析物，尤其是那些不存在天然識別元素的分析物。因此，研究人員開發(fā)了針對各種藥物的μNEAB貼片，包括治療窗窄的抗生素（妥布霉素和萬古霉素）。通過活體動物研究，研究人員證明了間質液/藥物循環(huán)水平與該裝置在及時預測藥物總暴露量方面的潛在臨床應用之間的強相關性。

原則上，針對非侵入性/侵入性可及生物流體的可穿戴生物傳感器可以通過藥物水平的無縫、連續(xù)和實時監(jiān)測，來解決當前治療藥物監(jiān)測實踐中遇到的限制（圖1B）。因此，探測間質液是一種可行的方法。廣泛的藥物分配到間質液，其與血液循環(huán)水平高度相關，其中許多可能不會擴散到其它可接觸的生物體液（如汗液和唾液）中。此外，在抗生素治療的前提下，探測間質液是很有利的，因為間質液室通常是藥物活性的預期位點，同時，許多細菌感染正是在這個空間開始和發(fā)展的。在這種情況下，與基于血液的對應物相比，基于間質液的測量可以提供更直接的見解。

圖1 μNEAB貼片用于可穿戴治療藥物監(jiān)測

間質液中的分子信息可以借助微針裝置以微創(chuàng)方式檢索。微針具有鋒利、機械堅固和短針狀特征，能夠輕松無斷裂地穿透皮膚，并且患者感受不到疼痛或者僅感受到一點疼痛。通過將電化學傳感功能與微針的皮膚穿刺功能相結合，微針裝置可適用于皮膚內(nèi)間質液分析物的樣本響應定量。然而，已證實的基于微針的電化學傳感器依賴于酶或離子載體進行分析物識別，排除了多種識別元素不可用的藥物分子。

為了說明該方法的通用性，研究人員通過將相應的寡核苷酸適配子固定在AuNP（金納米顆粒）微針（低成本的金納米顆粒涂層金微針表面）基質上，開發(fā)了額外的基于微針的電化學適體生物傳感器（EAB，針對靶向萬古霉素、阿霉素和凝血酶，妥布霉素除外）。如圖2C和2D）所示，對于所有四種情況，相應的生物傳感器響應和分析物濃度呈現(xiàn)單調關系，裝置間變化最小。此處，使用相對峰值電流變化來表示傳感器響應，以最小化裝置間變化。

圖2 μNEAB貼片的開發(fā)與表征

為了評估生物傳感器的連續(xù)響應，研究人員使用了模狀凝膠設置和完整的μNEAB貼片（包括妥布霉素適體固定化工作電極、銀/氯化銀（Ag/AgCl）參比電極和金電極對，均基于微針）。他們特別使用了三種預先加入不同妥布霉素濃度的測試凝膠，共同代表了真皮間質液中分析物濃度的變化。研究人員旋轉這些測試凝膠，并連續(xù)記錄μNEAB貼片的響應（將裝置插入凝膠中）。如圖3A所示，μNEAB對妥布霉素產(chǎn)生快速（不到1分鐘）、高度穩(wěn)定和可逆的反應，表明其對組織樣品環(huán)境中的持續(xù)間質液生物監(jiān)測具有很高的適用性。

圖3 體外μNEAB貼片的表征

接下來，研究人員擴展了這項研究，以研究妥布霉素的藥代動力學特性與給藥劑量的關系（在三只大鼠上進行）。對于每只大鼠，他們至少間隔1周進行相關實驗，以避免遺留效應。如圖4C。

令人鼓舞的是，盡管存在各種變化，但μNEAB貼片生成的間質液讀數(shù)仍然可靠地捕捉了循環(huán)藥代動力學特征。圖4F顯示了AUCblood（藥時曲線下面積）和AUCISF（確定系數(shù)（R2）=0.99）以及AUCblood和Rmax（R2=0.97）之間的高度相關性。這些結果表明，μNEAB貼片提供的實時連續(xù)的間質液讀數(shù)可用于預測受試者的總藥物暴露量，以精確給藥（盡管必須注意，在較高濃度下，Rmax增加的預測誤差）。具體地，當使用最大響應值時，反饋時間可以減少到約15分鐘。這提供了在預期的治療窗口或到下一次給藥的時間間隔內(nèi)微調劑量的可能性。

圖4 通過μNEAB貼片進行體內(nèi)間質液相關研究

該μNEAB貼片提供的連續(xù)間質液分析物讀數(shù)顯示了AUCISF和Rmax（傳感器響應的最大值）與動物總藥物暴露量的高度相關性。這些結果證明了研究人員的解決方案在精確給藥方面的潛在臨床實用性。特別是，使用傳感器響應的最大值作為藥物暴露的指標可能具有巨大的價值。它將藥物循環(huán)藥代動力學的提取時間從幾個小時（低谷期：約12小時；樣品分析：約6至12小時）縮短至幾分鐘。通過這種方式，新技術能夠及時反饋劑量調整和其它干預措施，例如延長給藥時間間隔。這將有效地最大化治療效果，同時最小化毒性和不良影響。值得強調的是，在抗生素循環(huán)藥代動力學中觀察到受試者間有巨大差異。這些觀察進一步強調了迫切需要以更高的頻率和更高的精度執(zhí)行治療藥物檢測，這與新技術提供的可能性一致。

編輯：黃飛

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