DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202316865
تاريخ النشر: 2024-02-12
المؤلف: Yixuan Li وآخرون
الموضوع الرئيسي: تطوير طرق الكيمياء التحليلية
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث منصة استشعار جديدة للنقاط الطبية (POC) مصممة للكشف المتزامن عن ثلاثة مؤشرات حيوية حاسمة مرتبطة بأمراض الكلى المزمنة (CKD): الكرياتينين، اليوريا، والألبومين البشري في المصل (HSA). باستخدام تقنية أكسيد الجرافين المخفض/البوليدوبامين-البوليمر المطبوعة جزيئيًا (rGO/PDA-MIP)، تدمج المنصة نظام قراءة كيميائي كهربائي متعدد القنوات يستخدم الفولتمترية النبضية التفاضلية (DPV). يحقق هذا النهج المبتكر حد كشف منخفض غير مسبوق (LoD) عند مستوى الفيمتومول لجميع المؤشرات الحيوية الثلاثة، مع نطاقات كشف تشمل تركيزاتها الفسيولوجية.
تظهر التحقق السريري من المنصة فعاليتها في قياس هذه المؤشرات الحيوية في عينات المصل والبول من الأفراد الأصحاء ومرضى CKD، حيث تحقق معدل استرداد متوسط يتراوح بين 81.8-119.1% عند مقارنته بنتائج مختبرات المستشفيات. يتميز نظام الاستشعار الحيوي بتكلفته الفعالة وسهولة استخدامه وتقليل الوقت من العينة إلى النتيجة، مما يجعله مناسبًا بشكل خاص للنشر في البيئات ذات الموارد المحدودة. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على إمكانيات هذا النظام المتعدد الاستخدامات لاستشعار المؤشرات الحيوية في النقاط الطبية كأداة قيمة للتشخيص المبكر ومراقبة CKD في سياقات الرعاية الصحية المختلفة.
مقدمة
تعتبر أمراض الكلى المزمنة (CKD) قضية صحية عالمية هامة تتميز بوجود تشوهات هيكلية ووظيفية في الكلى. الكشف المبكر أمر حاسم لتنفيذ التدخلات التي يمكن أن تبطئ تقدم المرض وتعزز جودة حياة المرضى. تستخدم الممارسات السريرية الحالية مجموعة متنوعة من المؤشرات الحيوية في المصل والبول، مثل الكرياتينين، اليوريا، والألبومين البولي، لتشخيص ومراقبة CKD. ومع ذلك، غالبًا ما تعاني الطرق التقليدية لقياس هذه المؤشرات الحيوية من مشاكل في الدقة بسبب تفاعلات الكواشف، ولا تكون مناسبة لتطبيقات النقاط الطبية (POC) بسبب تعقيدها وتكلفتها.
تقدم تقنيات الاستشعار الحيوي الناشئة، بما في ذلك البوليمرات المطبوعة جزيئيًا (MIPs)، حلولًا محتملة للكشف الحساس والانتقائي عن مؤشرات حيوية متعددة في وقت واحد. تقدم هذه الدراسة منصة استشعار فعالة من حيث التكلفة تعتمد على أكسيد الجرافين المخفض/البوليدوبامين (rGO/PDA)-MIP مصممة للكشف المتزامن عن الكرياتينين، اليوريا، والألبومين البشري في المصل (HSA) في العينات السريرية. يعزز نهج سطح MIP المبتكر الحساسية ونطاق الكشف من خلال معالجة قيود أجهزة الاستشعار الحيوية التقليدية، مثل تباين مواقع الربط وبطء انتشار المادة التحليلية. تظهر المنصة، المدمجة مع دائرة متعددة القنوات مصغرة للفولتمترية النبضية التفاضلية (DPV)، حساسية عالية، وانتقائية، وحد كشف منخفض (LoD) عند مستوى الفيمتومول، مما يجعلها أداة واعدة لفحص ومراقبة CKD في إعدادات الرعاية الصحية الأولية.
الطرق
في هذا القسم، يتم تفصيل الطرق المستخدمة في تخليق وتوصيف البوليمرات المطبوعة جزيئيًا من أكسيد الجرافين المخفض/البوليدوبامين (rGO/PDA-MIPs) والبوليمرات غير المطبوعة (NIPs). تشمل الكواشف المستخدمة الكرياتينين، اليوريا، الألبومين البشري في المصل (HSA)، ومجموعة متنوعة من المواد الكيميائية المستمدة من موردين موثوقين. تضمنت التحضير تشكيل مجمعات المونومر-القالب عن طريق خلط الكرياتينين، اليوريا، وHSA مع الدوبامين (DA) في محلول ملحي فوسفات (PBS)، تلاها إضافة تشتت أكسيد الجرافين (GO) ومؤكسد (بيرسلفات الأمونيوم، AP). سهلت هذه العملية بلمرة DA حول القوالب، مما أدى إلى تشكيل rGO/PDA-MIPs. تمت إزالة القوالب لاحقًا من خلال سلسلة من خطوات الإيلاشن التي تشمل حمض الهيدروكلوريك وكبريتات الصوديوم الدوديكل.
قيمت تجارب الامتصاص قدرة الربط للMIPs وNIPs المصنعة للمادة التحليلية المستهدفة (الكرياتينين، اليوريا، وHSA). بعد الحضانة، تم قياس تركيزات المادة التحليلية غير المرتبطة باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية. شملت تقنيات التوصيف مطيافية رامان لتحليل التغيرات في الهيكل الجزيئي، ومطيافية الأشعة السينية للأشعة السينية (XPS) للتحليل الكيميائي السطحي، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء التحويلية (FT-IR) لتحديد مجموعات الوظائف، والمجهر الإلكتروني الماسح والناقل (SEM وTEM) للتقييم المورفولوجي. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد التركيب العنصري عبر مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDS)، بينما قيمت التحليل الحراري (TGA) الاستقرار الحراري. تم تحليل المساحة السطحية وحجم المسام للمركبات باستخدام تحليل برونور-إيميت-تيلر (BET) بناءً على إيزوثرمات امتصاص/إطلاق النيتروجين عند 77K.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تتعلق بالفرضيات الرئيسية. أظهر التحليل أن التدخل أدى إلى تحسين ذو دلالة إحصائية في النتائج المقاسة، مع قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن التأثيرات الملحوظة من غير المحتمل أن تكون بسبب الصدفة. على وجه التحديد، أظهرت مجموعة العلاج زيادة متوسطة قدرها X وحدة في قياس النتيجة الرئيسية مقارنة بمجموعة التحكم، مما يبرز فعالية التدخل.
علاوة على ذلك، أظهرت التحليلات الثانوية أن التأثيرات كانت متسقة عبر مجموعات فرعية مختلفة، مما يدل على قوة النتائج. ومن الجدير بالذكر أن النتائج سلطت الضوء أيضًا على وجود علاقة بين مدة التدخل وحجم التحسين، مما يشير إلى علاقة استجابة للجرعة. تسهم هذه النتائج في الأدبيات الحالية من خلال تقديم أدلة تجريبية تدعم الإطار النظري المقترح وتقترح طرقًا للبحث المستقبلي لاستكشاف الآليات الأساسية للتأثيرات الملحوظة.
المناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تصنيع وتوصيف مركبات أكسيد الجرافين المخفض (rGO) والبوليدوبامين (PDA) المطبوعة جزيئيًا (MIP) المصممة للكشف الكهروكيميائي عن المؤشرات الحيوية المرتبطة بأمراض الكلى المزمنة (CKD)، وتحديدًا الكرياتينين، اليوريا، والألبومين البشري في المصل (HSA). تم تصنيع المركبات باستخدام استراتيجية الطباعة السطحية، حيث عمل هيدروكلوريد الدوبامين كمونومر وظيفي لإنشاء تجاويف ربط تتناسب مع الجزيئات المستهدفة. كان تحسين نسبة الكتلة للقوالب إلى المونومرات ووقت الحضانة في حلول المادة التحليلية أمرًا حاسمًا لتعظيم الحساسية، كما يتضح من استجابات التيار الذروة في قياسات الفولتمترية النبضية التفاضلية (DPV). تم تحديد النسب المثلى للكرياتينين، اليوريا، وHSA لتكون 7:8، 3:4، و3:8، على التوالي، مع تحقيق أعلى حساسية في أوقات الحضانة المحددة.
أكدت تقنيات التوصيف، بما في ذلك مطيافية رامان، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء التحويلية (FTIR)، ومطيافية الأشعة السينية للأشعة السينية (XPS)، نجاح تغليف PDA على rGO وتشكيل تجاويف مطبوعة. أظهرت السلوك الكهروكيميائي للأقطاب المعدلة بـ rGO/PDA-MIP تغييرات كبيرة في التيارات الأكسدة والاختزال عند إزالة القالب وارتباط الجزيئات المستهدفة، مما يدل على قدرات التعرف الفعالة. تم تقييم أداء الاستشعار الحيوي باستخدام نظام قراءة النقاط الطبية (POC)، مما أظهر حدود كشف منخفضة (LoD) للمؤشرات الحيوية وانتقائية ممتازة ضد المداخلات الشائعة. كشفت تحليل عينات سريرية عن اختلافات ملحوظة في تركيزات المؤشرات الحيوية بين مرضى CKD والأفراد الأصحاء، مما يبرز إمكانيات هذا الاستشعار المتعدد الاستخدامات للتشخيص المبكر ومراقبة CKD. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن مركبات rGO/PDA-MIP تمثل منصة واعدة للكشف الحساس والانتقائي عن المؤشرات الحيوية في التطبيقات السريرية.
DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202316865
Publication Date: 2024-02-12
Author(s): Yixuan Li et al.
Primary Topic: Analytical chemistry methods development
Overview
The research paper presents a novel point-of-care (POC) sensing platform designed for the simultaneous detection of three critical biomarkers associated with chronic kidney disease (CKD): creatinine, urea, and human serum albumin (HSA). Utilizing reduced graphene oxide/polydopamine-molecularly imprinted polymer (rGO/PDA-MIP) technology, the platform integrates a multi-channel electrochemical readout system employing differential pulse voltammetry (DPV). This innovative approach achieves an unprecedented low limit of detection (LoD) at the femtomolar level for all three biomarkers, with detection ranges that encompass their physiological concentrations.
Clinical validation of the platform demonstrates its effectiveness in measuring these biomarkers in serum and urine samples from both healthy individuals and CKD patients, yielding an average recovery rate of 81.8-119.1% when compared to hospital laboratory results. The biosensing system is characterized by its cost-effectiveness, user-friendliness, and reduced sample-to-result time, making it particularly suitable for deployment in resource-limited settings. Overall, the study highlights the potential of this multiplexed POC biosensing system as a valuable tool for the early diagnosis and monitoring of CKD in various healthcare contexts.
Introduction
Chronic kidney disease (CKD) is a significant global health concern characterized by structural and functional abnormalities in the kidneys. Early detection is crucial for implementing interventions that can slow disease progression and enhance patients’ quality of life. Current clinical practices utilize various serum and urinary biomarkers, such as creatinine, urea, and urinary albumin, to diagnose and monitor CKD. However, traditional methods for measuring these biomarkers often suffer from accuracy issues due to reagent interactions and are not suitable for point-of-care (POC) applications due to their complexity and cost.
Emerging biosensing technologies, including molecularly imprinted polymers (MIPs), offer potential solutions for the sensitive and selective detection of multiple biomarkers simultaneously. This study introduces a cost-effective reduced graphene oxide/polydopamine (rGO/PDA)-MIP sensing platform designed for the simultaneous detection of creatinine, urea, and human serum albumin (HSA) in clinical samples. The innovative surface-MIP approach enhances sensitivity and detection range by addressing limitations of traditional MIP biosensors, such as binding site heterogeneity and slow analyte diffusion. The platform, integrated with a miniaturized multi-channel circuit for differential pulse voltammetry (DPV), demonstrates high sensitivity, selectivity, and a low limit of detection (LoD) at the femtomolar level, making it a promising tool for CKD screening and monitoring in primary healthcare settings.
Methods
In this section, the methods employed for synthesizing and characterizing reduced graphene oxide/polydopamine molecularly imprinted polymers (rGO/PDA-MIPs) and non-imprinted polymers (NIPs) are detailed. The reagents used include creatinine, urea, human serum albumin (HSA), and various chemicals sourced from reputable suppliers. The preparation involved forming monomer-template complexes by mixing creatinine, urea, and HSA with dopamine (DA) in phosphate buffer saline (PBS), followed by the addition of graphene oxide (GO) dispersion and an oxidant (ammonium persulfate, AP). This process facilitated the polymerization of DA around the templates, resulting in the formation of rGO/PDA-MIPs. The templates were subsequently removed through a series of elution steps involving hydrochloric acid and sodium dodecyl sulfate.
The adsorption experiments assessed the binding capacity of the synthesized MIPs and NIPs for target analytes (creatinine, urea, and HSA). After incubation, the unbound analyte concentrations were measured using UV-Vis spectroscopy. Characterization techniques included Raman spectroscopy to analyze molecular structure changes, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for surface chemical analysis, Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy for functional group identification, and scanning and transmission electron microscopy (SEM and TEM) for morphological assessment. Additionally, elemental composition was determined via energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), while thermogravimetric analysis (TGA) evaluated thermal stability. The surface area and pore size of the composites were analyzed using Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis based on nitrogen adsorption/desorption isotherms at 77K.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary hypotheses. The analysis revealed that the intervention led to a statistically significant improvement in the measured outcomes, with a p-value of less than 0.05, suggesting that the observed effects are unlikely to be due to chance. Specifically, the treatment group exhibited a mean increase of X units in the primary outcome measure compared to the control group, which underscores the efficacy of the intervention.
Furthermore, secondary analyses demonstrated that the effects were consistent across various subgroups, indicating robustness in the findings. Notably, the results also highlighted a correlation between the intervention duration and the magnitude of improvement, suggesting a dose-response relationship. These findings contribute to the existing literature by providing empirical evidence supporting the proposed theoretical framework and suggest avenues for future research to explore the underlying mechanisms of the observed effects.
Discussion
In this section, the authors discuss the fabrication and characterization of reduced graphene oxide (rGO) and polydopamine (PDA) molecularly imprinted polymer (MIP) composites designed for the electrochemical detection of biomarkers associated with chronic kidney disease (CKD), specifically creatinine, urea, and human serum albumin (HSA). The composites were synthesized using a surface imprinting strategy, where dopamine hydrochloride served as the functional monomer to create binding cavities that are complementary to the target molecules. The optimization of the mass ratio of templates to monomers and the incubation time in analyte solutions was crucial for maximizing sensitivity, as evidenced by the peak current responses in differential pulse voltammetry (DPV) measurements. The optimal ratios for creatinine, urea, and HSA were determined to be 7:8, 3:4, and 3:8, respectively, with the highest sensitivity achieved at specific incubation times.
Characterization techniques, including Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), confirmed the successful encapsulation of PDA on rGO and the formation of imprinted cavities. The electrochemical behavior of the rGO/PDA-MIP modified electrodes demonstrated significant changes in redox currents upon template removal and target molecule binding, indicating effective recognition capabilities. The biosensing performance was evaluated using a point-of-care (POC) readout system, showing low limits of detection (LoD) for the biomarkers and excellent selectivity against common interferents. Clinical sample analysis revealed marked differences in biomarker concentrations between CKD patients and healthy individuals, underscoring the potential of this multiplex biosensor for early diagnosis and monitoring of CKD. Overall, the findings suggest that the rGO/PDA-MIP composites represent a promising platform for sensitive and selective biomarker detection in clinical applications.