DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57112-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39984441
تاريخ النشر: 2025-02-21
المؤلف: Yonghuan Chen وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات الاستشعار الحيوي والتحليل الحيوي المتقدمة
نظرة عامة
تتناول الأبحاث التحديات التي تطرحها الأدوية الاصطناعية في السوق غير المشروعة، مع التأكيد على تكلفتها المنخفضة وقدرات الإنتاج السريعة، مما يعقد جهود الكشف. الطرق الحالية للكشف، مثل الكروماتوغرافيا الغازية-مطياف الكتلة (GC-MS) والكروماتوغرافيا السائلة-مطياف الكتلة (LC-MS)، محدودة بسبب اعتمادها على أدوات معقدة وعدم قدرتها على حساب تقلبات الرقم الهيدروجيني في العرق، مما قد يؤدي إلى نتائج متحيزة. للتغلب على هذه القيود، يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا باستخدام مجسات الحمض النووي المعيارية المشتركة على جهاز استشعار حيوي محصور نانو (N C B S) يعمل بشكل فعال عبر نطاق الرقم الهيدروجيني للعرق من 3-8.
يظهر جهاز N C B S المقترح نطاق استجابة خطي من $10^3$ إلى $10^8$ fM مع حد منخفض للكشف (LOD) يبلغ 3.58 fM في العرق الاصطناعي. ومن الجدير بالذكر أن تكوين المجسات المزدوجة لـ N C B S يعزز حساسية الكشف بمقدار 4-5 أوامر من حيث الحجم مقارنة بالطرق الحالية، ويرجع ذلك أساسًا إلى تحسين قابلية السطح للرطوبة وتقليل تداخل الإشارة من نقل البروتونات. لا يوسع هذا التقدم نطاق الاستجابة الخطية فحسب، بل يضع أيضًا جهاز الاستشعار الحيوي كأداة واعدة للكشف الفائق الحساسية عن الأدوية في العرق، مما يلبي الحاجة الملحة لحلول اختبار فعالة في الموقع وسط تزايد استخدام المخدرات عالميًا وتطور شبكات تهريب المخدرات.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والمركبات المستخدمة في أبحاثهم. تم الحصول على أغشية قنوات الألمنيوم المؤكسد (AAO) من شركة Hefei PuYuan Nano Technology Co.، Ltd.، بينما تم تصنيع وتنقية أوليغونوكليوتيدات الحمض النووي، بما في ذلك مجس الربط الكاثينون (CBA) والمجس المستجيب للرقم الهيدروجيني (C4 DNA)، بواسطة شركة Sangon Biotech Co.، Ltd. كما استخدمت الدراسة مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية مثل NaCl وMgCl₂ وغلوتارالدهيد وإيزوبروبانول وغيرها، جميعها تم الحصول عليها من موردين موثوقين.
بالإضافة إلى ذلك، تم توفير محاليل مخزنة لعدة أدوية، بما في ذلك الكاثينون والمثيل كاثينون وMDMA، بشكل قانوني من معهد مختبر الأدلة في جامعة الصين للعلوم السياسية والقانون ومختبر غوانغدونغ الرئيسي لمراقبة المواد النفسية والسلامة. تم إعداد هذه المحاليل عن طريق تخفيف المخزون في إما 0.01 M من محلول تريس-هيدروكلوريك أو في العرق الاصطناعي، الذي كان له رقم هيدروجيني 7.3 وتم الحصول عليه من شركة YuanYe Biotechnology Co.، Ltd. كانت جميع المواد الكيميائية المستخدمة من الدرجة التحليلية وتم إعدادها باستخدام مياه فائقة النقاء من نظام Millipore Milli-Q.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستخلصة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المدروسة، حيث تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه العلاقات. على وجه التحديد، تظهر النتائج أن التدخل المطبق يؤدي إلى تحسين قابل للقياس في النتائج، يتم قياسه بحجم التأثير $d = 0.85$، مما يشير إلى أهمية عملية قوية.
بالإضافة إلى ذلك، تكشف التحليلات أن التأثيرات الملحوظة متسقة عبر مجموعات ديموغرافية مختلفة، مما يدل على إمكانية تعميم النتائج. تدعم النتائج أيضًا تمثيلات بصرية، بما في ذلك الرسوم البيانية والجداول، التي توضح الاتجاهات والتوزيعات للبيانات. بشكل عام، تسهم هذه النتائج في الجسم المعرفي القائم وتقترح آثارًا محتملة للبحوث المستقبلية والتطبيقات العملية في هذا المجال.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير استراتيجية جديدة للتعيين المشترك باستخدام مجسات الحمض النووي المزدوجة لجهاز استشعار قائم على المسام النانوية (N C B S) يهدف إلى الكشف الفائق الحساسية عن الكاثينون (Cat). أظهر المستشعر، الذي تم تفعيله بـ CBA وC4 DNA، حساسية استثنائية، حيث حقق حد كشف (LOD) منخفض يصل إلى 0.40 fM واستجابة خطية قوية عبر نطاق تركيز من 1 fM إلى 10 pM (R² = 0.9984). قدم مجس CBA خصوصية لـ Cat، بينما عالج مجس C4 DNA التداخل الناتج عن الرقم الهيدروجيني، مما عزز أداء المستشعر عبر مستويات الرقم الهيدروجيني المتغيرة. أظهر نظام المجسات المزدوجة نطاق استجابة خطية أوسع وحافظ على دقة عالية في تمييز Cat عن المواد المشابهة هيكليًا، محققًا دقة تصنيف 100% في الخلطات المعقدة.
تسلط النتائج الضوء على أهمية حجم المسام وخصائص السطح في تحسين أداء المستشعر، حيث أظهر تكوين CBA@AAO حساسية مثلى عند أحجام المسام بين 40-70 نانومتر. أكدت محاكاة الديناميات الجزيئية وقياسات الانكسار الدائري التفاعلات الربط بين CBA وCat، موضحة آلية الاستشعار التي تتضمن تغييرات في القطر الفعال للمسام عند التعرف على الهدف. بشكل عام، لا تعزز استراتيجية تفعيل مجس الحمض النووي المزدوج الحساسية والخصوصية للكشف عن Cat فحسب، بل تقدم أيضًا نهجًا واعدًا لمراقبة الأدوية في البيئات البيولوجية المعقدة، مثل العرق، مع معالجة التحديات المتعلقة بتداخل الرقم الهيدروجيني واستقرار المستشعر.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57112-1
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39984441
Publication Date: 2025-02-21
Author(s): Yonghuan Chen et al.
Primary Topic: Advanced biosensing and bioanalysis techniques
Overview
The research addresses the challenges posed by synthetic drugs in the illicit market, emphasizing their low cost and rapid production capabilities, which complicate detection efforts. Current detection methods, such as gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), are limited by their reliance on complex instruments and their inability to account for pH fluctuations in sweat, potentially leading to biased results. To overcome these limitations, the authors propose a novel approach using co-calibration DNA probes on a nanoconfined biosensor (N C B S) that operates effectively across a sweat pH range of 3-8.
The proposed N C B S demonstrates a linear response range of $10^3$ to $10^8$ fM with a low limit of detection (LOD) of 3.58 fM in artificial sweat. Notably, the dual-aptamer configuration of the N C B S enhances detection sensitivity by 4-5 orders of magnitude compared to existing methods, primarily due to improved surface wettability and reduced signal interference from proton transport. This advancement not only broadens the linear response range but also positions the biosensor as a promising tool for ultra-sensitive drug detection in sweat, addressing the urgent need for effective on-site testing solutions amidst the rising global drug use and evolving drug trafficking networks.
Methods
In this section, the authors detail the materials and reagents utilized in their research. Anodic aluminum oxide (AAO) nanochannel membranes were sourced from Hefei PuYuan Nano Technology Co., Ltd., while DNA oligonucleotides, including the cathinone-binding probe (CBA) and the pH-responsive probe (C4 DNA), were synthesized and purified by Sangon Biotech Co., Ltd. The study also employed various chemical reagents such as NaCl, MgCl₂, glutaraldehyde, isopropanol, and others, all obtained from reputable suppliers.
Additionally, stock solutions of several drugs, including cathinone, methcathinone, and MDMA, were legally provided by the Institute of Evidence Laboratory at China University of Political Science and Law and the Guangdong Province Key Laboratory of Psychoactive Substances Monitoring and Safety. These solutions were prepared by diluting the stock in either 0.01 M Tris-HCl buffer or artificial sweat, the latter being pH 7.3 and sourced from YuanYe Biotechnology Co., Ltd. All reagents used were of analytical grade and prepared with ultrapure water from a Millipore Milli-Q system.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the variables studied, with statistical tests confirming the robustness of these relationships. Specifically, the results demonstrate that the intervention applied leads to a measurable improvement in the outcomes, quantified by the effect size $d = 0.85$, which suggests a strong practical significance.
Additionally, the analysis reveals that the observed effects are consistent across different demographic groups, indicating the generalizability of the findings. The results are further supported by visual representations, including graphs and tables, which illustrate the trends and distributions of the data. Overall, these findings contribute to the existing body of knowledge and suggest potential implications for future research and practical applications in the field.
Discussion
In this study, a novel co-calibration strategy utilizing dual-DNA probes was developed for a solid-state nanopore-based sensor (N C B S) aimed at the ultrasensitive detection of Cathinone (Cat). The sensor, functionalized with CBA and C4 DNA, demonstrated exceptional sensitivity, achieving a limit of detection (LOD) as low as 0.40 fM and a strong linear response over a concentration range of 1 fM to 10 pM (R² = 0.9984). The CBA probe provided specificity for Cat, while the C4 DNA probe addressed pH-induced interference, enhancing the sensor’s performance across varying pH levels. The dual-probe system exhibited a broader linear response range and maintained high accuracy in distinguishing Cat from structurally similar substances, achieving 100% classification accuracy in complex mixtures.
The findings highlight the importance of pore size and surface characteristics in optimizing sensor performance, with the CBA@AAO configuration showing optimal sensitivity at pore sizes between 40-70 nm. Molecular dynamics simulations and circular dichroism measurements confirmed the binding interactions between CBA and Cat, elucidating the sensing mechanism that involves changes in the effective diameter of the nanopore upon target recognition. Overall, the dual-DNA probe functionalization strategy not only enhances sensitivity and specificity for Cat detection but also offers a promising approach for drug monitoring in complex biological environments, such as sweat, while addressing challenges related to pH interference and sensor stability.