DOI: https://doi.org/10.1021/acssensors.4c00337
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38778463
تاريخ النشر: 2024-05-23
المؤلف: Qianyu Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: التطورات في توصيل الأدوية عبر الجلد
نظرة عامة
تقدم البحث نظام استشعار جديد يعتمد على الإبر الدقيقة (MN) للكشف عن اللاكتات في السائل بين الخلايا (ISF) بطريقة غير جراحية، مع معالجة قيود الفحوصات التقليدية المعتمدة على الدم. يتميز النظام بغشاء مصنوع من بوليمر مخلوط يعمل كطبقة تحد من الانتشار، مما يتيح الكشف عن اللاكتات ضمن نطاق خطي من 0.25-35 مليمول مع وقت اختبار سريع يبلغ 30 ثانية ومدة تشغيل تصل إلى 8 ساعات. تم تحقيق التحقق من أداء المستشعر من خلال دراسات خارج الجسم وداخل الجسم على الفئران، مما يظهر ارتباطًا قويًا (معامل بيرسون = 0.85) بين مستويات اللاكتات في ISF والدم، مع زمن تأخير ملحوظ قدره 10 دقائق.
تم تصميم منصة MN كرقعة محمولة وقابلة للارتداء تتكامل مع تطبيق على الهاتف الذكي للمراقبة في الوقت الحقيقي، مما يسهل قياس اللاكتات بشكل مستمر في مختلف الإعدادات السريرية. يبرز الدراسة مزايا المستشعر التحليلية، بما في ذلك الانتقائية، والاستقرار، والمتانة، بينما تؤكد أيضًا على فعاليته في التقاط تقلبات اللاكتات أثناء التخدير. بشكل عام، يسهم هذا البحث بشكل كبير في مجال تكنولوجيا استشعار MN من خلال التحقق من جدوى قياسات اللاكتات داخل الجسم وإقامة ارتباط بين ISF واللاكتات في الدم، مما يمهد الطريق لتطبيقات الطب الشخصي.
طرق
يصف القسم التجريبي تطوير جهاز استشعار Lac MN، الذي يدمج لوحة إلكترونية قابلة لإعادة الاستخدام لتسجيل الإشارات ونقل البيانات اللاسلكية، وتطبيق مخصص على الهاتف المحمول للتحكم من قبل المستخدم، ورقعة مستشعر أساسية تتكون من إبرتين دقيقتين (MNs) مدمجتين في ركيزة سيليكون مرنة. يتيح التطبيق المحمول للمستخدمين ضبط المعلمات مثل الجهد المطبق، والكسب، ومقاومات الحمل، مما يسهل مراقبة الإشارة في الوقت الحقيقي وتخزين البيانات. يتم توفير مخططات تفصيلية والمواد المستخدمة في بناء الجهاز في المعلومات الداعمة.
تستخدم رقعة المستشعر بالإبر الدقيقة نظامًا مكونًا من قطبين، يتكون من قطب عمل (WE) وقطبين مرجعيين (CE/RE)، لإجراء قياسات أمبيرومترية. يتم بناء WE عن طريق وضع مادة كربونية على MN من الفولاذ المقاوم للصدأ، تليها ترسيب كهربائي للون الأزرق البروسي (PB) من خلال الفولتمترية الدورية. ثم يتم تطبيق خليط من إنزيم أكسيداز اللاكتات والشيتوزان في عدة طبقات لتعزيز وظيفة المستشعر. يتم إعداد CE/RE باستخدام محلول بولي (فينيل بيوتيرال) وNaCl، تليها معالجة وتغطية بالبولي يوريثين. يتم تخزين كلا القطبين في محاليل مناسبة للحفاظ على سلامتهما قبل الاستخدام.
نتائج
تظهر نتائج الدراسة التطوير الناجح وتوصيف رقعة مستشعر الإبر الدقيقة (MN) لقياسات اللاكتات (Lac)، مما يبرز مرونتها الميكانيكية، واستقرارها، وقدراتها الفعالة في الاستشعار. أظهرت MNs، المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ ومطاط السيليكون، أبعادًا مناسبة لإدخال غير مؤلم في الجلد، مع طول إدخال يبلغ حوالي 600 ميكرومتر. حافظ المستشعر على شكله ووظيفته بعد الإدخال في جلد الفئران، مع قوة اختراق قصوى تبلغ 3.2 ± 0.5 نيوتن. يعتمد آلية استشعار اللاكتات على وسيط أكسدة مختزل وإنزيم مثبت، مما يسمح بالتحديد الكمي لـ Lac من خلال التغيرات في التيار الفارادي عند تفاعل اللاكتات.
تم تقييم الأداء التحليلي من خلال بروتوكولين للمعايرة، مما يكشف عن نطاق استجابة خطي (LRR) من 1-35 مليمول مع حساسية تبلغ -8.04 نانو أمبير مليمول⁻¹ وحد كشف (LOD) يبلغ 0.0148 مليمول تحت ظروف ثابتة. تم تسليط الضوء على تعددية استخدام المستشعر من خلال قدرته على تغطية مستويات Lac ذات الصلة سريريًا، مما يجعله مناسبًا لكل من التطبيقات السريرية وعلوم الرياضة. أكدت الاختبارات خارج الجسم وداخل الجسم دقة المستشعر وموثوقيته، مع ارتباطات قوية بين قياسات MN والتقنيات المعتمدة مثل Lactate Scout والكروماتوغرافيا الأيونية. ومن الجدير بالذكر أنه تم ملاحظة زمن تأخير يبلغ حوالي 10 دقائق لتدفق Lac من الدم إلى السائل بين الخلايا، مما يبرز إمكانيات المستشعر للمراقبة في الوقت الحقيقي في الإعدادات السريرية.
مناقشة
في هذه الدراسة، نقدم مستشعرًا يعتمد على الإبر الدقيقة (MN) مصممًا للكشف الدقيق عن اللاكتات (Lac) في السائل بين الخلايا (ISF) ضمن نطاق تركيز من 0.25-35 مليمول. يشمل هذا النطاق كل من المستويات الفسيولوجية (0.3-2.5 مليمول) والتركيزات ذات الصلة بأمراض معينة والنشاط البدني. تم تقييم استقرار المستشعر وأدائه التحليلي بدقة من خلال تجارب مختلفة داخل الجسم وخارجه. ومن الجدير بالذكر أن مستشعر MN تم دمجه في جهاز مدمج ومحمول قادر على إجراء قياسات على الجسم، مع جمع بيانات آلي بالكامل ونقل لاسلكي إلى تطبيق على الهاتف الذكي.
تم الحصول على قياسات Lac في الوقت الحقيقي بنجاح من ثمانية فئران مخدرة، مما يظهر ارتباطًا قويًا مع الطرق المرجعية للكشف عن اللاكتات في ISF والدم. يسهم هذا البحث بشكل كبير في مجال تكنولوجيا استشعار MN من خلال التحقق من جدوى قياسات اللاكتات داخل الجسم في ISF وإقامة الارتباط بين ISF ومستويات اللاكتات في الدم، على الرغم من وجود زمن تأخير ملحوظ قدره 10 دقائق. تشير النتائج إلى أن رقعة MN المطورة تحمل وعدًا كبيرًا لتطبيقات سريرية متنوعة وأبحاث علوم الحياة الأساسية.
DOI: https://doi.org/10.1021/acssensors.4c00337
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38778463
Publication Date: 2024-05-23
Author(s): Qianyu Wang et al.
Primary Topic: Advancements in Transdermal Drug Delivery
Overview
The research presents a novel microneedle (MN) sensing system for the minimally invasive transdermal detection of lactate in interstitial fluid (ISF), addressing the limitations of traditional blood-based assays. The system features a doped polymer-based membrane that serves as a diffusion-limiting layer, enabling lactate detection across a linear range of 0.25-35 mM with a rapid assay time of 30 seconds and an operational duration of 8 hours. Validation of the sensor’s performance was achieved through ex vivo and in vivo studies in rats, demonstrating a strong correlation (Pearson’s coefficient = 0.85) between ISF and blood lactate levels, with a noted lag time of 10 minutes.
The MN-based platform is designed as a portable, wearable patch that integrates with a smartphone application for real-time monitoring, thus facilitating continuous lactate measurement in various clinical settings. The study highlights the sensor’s analytical merits, including selectivity, stability, and durability, while also confirming its efficacy in capturing lactate fluctuations during anesthesia. Overall, this research contributes significantly to the field of MN sensing technology by validating the feasibility of in vivo lactate measurements and establishing a correlation between ISF and blood lactate, paving the way for personalized medicine applications.
Methods
The experimental section describes the development of a Lac MN sensing device, which integrates a reusable electronic board for signal recording and wireless data transmission, a custom mobile application for user control, and a core sensor patch consisting of two microneedles (MNs) embedded in a flexible silicone substrate. The mobile application allows users to adjust parameters such as applied voltage, gain, and load resistors, facilitating real-time signal monitoring and data storage. Detailed schematics and materials used in the device’s construction are provided in the supporting information.
The microneedle sensor patch employs a two-electrode system, comprising a working electrode (WE) and counter-reference electrodes (CE/RE), to conduct amperometric measurements. The WE is constructed by layering a carbon material onto a stainless steel MN, followed by electrodeposition of Prussian Blue (PB) through cyclic voltammetry. A chitosan-lactate oxidase enzyme mixture is then applied in multiple layers to enhance sensor functionality. The CE/RE is prepared using a poly(vinyl butyral) and NaCl solution, followed by conditioning and coating with polyurethane. Both electrodes are stored in appropriate solutions to maintain their integrity prior to use.
Results
The results of the study demonstrate the successful development and characterization of a microneedle (MN) sensor patch for lactate (Lac) measurements, showcasing its mechanical flexibility, stability, and effective sensing capabilities. The MNs, made from stainless steel and silicone rubber, exhibited dimensions conducive to painless skin insertion, with an insertion length of approximately 600 μm. The sensor maintained its morphology and functionality post-insertion into rat skin, with a peak penetration force of 3.2 ± 0.5 N. The lactate sensing mechanism relies on a redox mediator and an immobilized enzyme, allowing for the quantitative determination of Lac through changes in Faradaic current upon lactate interaction.
Analytical performance was assessed through two calibration protocols, revealing a linear response range (LRR) of 1-35 mM with a sensitivity of -8.04 nA mM⁻¹ and a limit of detection (LOD) of 0.0148 mM under static conditions. The sensor’s versatility was highlighted by its ability to cover clinically relevant Lac levels, making it suitable for both clinical and sports science applications. Ex vivo and in vivo tests confirmed the sensor’s accuracy and reliability, with strong correlations between MN measurements and established techniques such as the Lactate Scout and ion chromatography. Notably, a lag time of approximately 10 minutes was observed for Lac diffusion from blood to interstitial fluid, emphasizing the sensor’s potential for real-time monitoring in clinical settings.
Discussion
In this study, we present a microneedle (MN)-based sensor designed for the precise detection of lactate (Lac) in interstitial fluid (ISF) within a concentration range of 0.25-35 mM. This range encompasses both physiological levels (0.3-2.5 mM) and concentrations relevant to specific diseases and physical activity. The sensor’s stability and analytical performance were rigorously assessed through various in vitro and ex vivo experiments. Notably, the MN sensor was integrated into a compact, portable device capable of on-body measurements, with fully automated data acquisition and wireless transmission to a smartphone application.
Real-time Lac measurements were successfully obtained from eight anesthetized rats, demonstrating strong correlation with reference methods for ISF and blood lactate detection. This research contributes significantly to the field of MN sensing technology by validating the feasibility of in vivo lactate measurements in ISF and establishing the correlation between ISF and blood lactate levels, albeit with a noted lag time of 10 minutes. The findings indicate that the developed MN patch holds substantial promise for diverse clinical applications and fundamental life science research.