Новый биосенсор определяет концентрацию антибиотика в выдыхаемом воздухе

Ученые из Фрайбургского университета (Германия) разработали биосенсор для мониторинга уровня антибиотиков в организме и проверили его на свиньях.

Биосенсор представляет собой микрофлюидную платформу на полимерной основе. Слои полимера прикреплены к покрытому платиной полиимидному субстрату, на котором расположены каналы и электроды. Каждый биосенсор состоит из зон: зоны иммобилизации и электрохимической ячейки. Эти зоны разделены гидрофобным барьером для предотвращения загрязнения электродов. Биосенсор одноразовый; предполагается его использование у постели больного. Платформа получила название miLab.

В работе представлен биосенсор для детекции β-лактамов. Детекция не требует антител. Образец, содержащий аналит (кровь или другая биологическая жидкость), проходит через зону иммобилизации под действием капиллярных сил. В этой зоне происходит конкурентное связывание аналита и конъюгата ампициллин-биотин с бактериальным пенициллинсвязывающим белком 3 (PBP-3), закрепленным на поверхности канала. Для детекции аналита используется глюкозооксидаза, сшитая со стрептавидином. Этот комплекс связывается с конъюгатом ампициллин-биотин, прикрепившимся к PBP-3. За каждым этапом связывания следует промывка буфером — таким образом удаляются свободные молекулы. Затем через сенсор прогоняется раствор глюкозы. При контакте глюкозы с глюкозооксидазой образуется H₂O₂. Эта молекула определятся амперометрически в электрохимической ячейке. Сигнал прямо пропорционален количеству иммобилизованной глюкозооксидазы и, следовательно, обратно пропорционален количеству β-лактама в образце.

Работу miLab проверили на свиньях. Животным вводили внутривенно комбинированный антибиотик пиперациллин/тазобактам в количестве, соответствующем 200%, 100% и 50% от стандартной дозы. (За стандартную дозу приняли 4 г пиперациллина и 0,5 г тазобактама.) Образцы крови, слюны и мочи отбирались до введения препарата и через 5, 30, 60, 120, 180 и 240 минут после. Кроме того, ученые отбирали и конденсировали образцы выдыхаемого газа.

Для всех дозировок наблюдалась сходная динамика концентраций антибиотика в образцах плазмы и выдыхаемого газа: резкий скачок и плавное снижение. Авторы отмечают, что это первый известный им случай определения антибиотиков в выдохе. Разница значений концентраций в плазме и выдохе отражает транспорт аналита из крови в аэрозольные частицы через капилляры легких.

Ученые заметили схожую динамику концентраций препарата в выдохе и в слюне. По их мнению, если учесть транспорт антибиотиков из крови в слюну, показатели слюны дают кумулятивную, а не мгновенную информацию. В моче же препарат появляется впервые только через три часа после инъекции.

Валидацию платформы провели на образцах плазмы, сравнивая показатели биосенсора с результатами ВЭЖХ. Полученные данные говорят о том, что платформу можно использовать для определения фармакокинетики пиперациллина/тазобактама. Возможность применения платформы у постели больного подтвердило корректное отображение динамики концентрации антибиотика в цельной крови. Однако оказалось, что на результат влияет пропофол — препарат, который использовался для анестезии. Момент ведения свинье дополнительной дозы пропофола давал аномалию в результатах.

Наконец, ученые по той же технологии создали мультиплексный чип и показали возможность одновременного измерения одного аналита в разных образцах (пиперациллин/тазобактам в плазме, выдыхаемом газе, слюне и моче) и разных аналитов в одном образце (пиперациллин/тазобактам и меропенем в плазме).

Успех антибиотикотерапии зависит от возможности поддерживать рабочую концентрацию препарата в организме. «Быстрый мониторинг уровней антибиотиков даст большое преимущество больницам. Может быть, получится встроить биосенсор в обычную лицевую маску», — говорит один из руководителей работы Серен Атес, сотрудница Центра интерактивных материалов и природоподобных технологий Университета Фрайбурга.

 Схема эксперимента, конструкция биосенсора и перспективы его использования. Credit: H. Ceren Ates, et al., 2021; DOI: 10.1002/adma.202104555 | CC BY 4.0