Nowy sensor pregabaliny: przełom w monitorowaniu terapeutycznym

Czy nowy sensor rewolucyjnie zmienia wykrywanie pregabaliny?

Opracowanie nowego czujnika elektrochemicznego do wykrywania pregabaliny (PGB) stanowi istotny krok naprzód w monitorowaniu poziomów tego leku u pacjentów. Pregabalina, lek produkowany przez firmę Pfizer, wykazuje znaczną skuteczność w leczeniu wielu schorzeń układu nerwowego, w tym padaczki, neuralgii popółpaścowej oraz neuropatii obwodowej cukrzycowej. Jej działanie opiera się na wiązaniu z podjednostką alfa-2-delta napięciozależnych kanałów wapniowych, co zmniejsza uwalnianie neurotransmiterów pobudzających, zapobiegając hiperalgezji i sensytyzacji ośrodkowej. Zdolność pregabaliny do przekraczania bariery krew-mózg i brak wiązania z białkami osocza dodatkowo przyczynia się do jej skuteczności. Zalecana dzienna dawka pregabaliny zazwyczaj waha się od 150 do 600 mg, podzielona na 2-3 mniejsze dawki.

Dotychczasowe metody wykrywania pregabaliny w próbkach biologicznych i farmaceutycznych, takie jak spektrofotometria UV/Vis, chromatografia cieczowa sprzężona ze spektrometrią mas wysokiej rozdzielczości, LC-MS/MS czy HPLC, mimo wysokiej czułości, wiążą się ze znacznymi wadami: wysokimi kosztami, długim czasem analizy oraz koniecznością skomplikowanego przygotowania próbek. Ponadto wiele z tych technik wymaga stosowania rozpuszczalników organicznych i wstępnej obróbki próbek, co komplikuje cały proces. Dodatkowo, często cierpią one na słabą selektywność i skomplikowane procedury operacyjne.

Jakie innowacje w konstrukcji sensora zastosowano?

Zespół badawczy opracował innowacyjny sensor elektrochemiczny oparty na elektrodzie z pasty węglowej (CPE) modyfikowanej strukturami metaliczno-organicznymi miedzi (Cu-MOF) oraz polimerem z odciskami molekularnymi (MIP) wytworzonym z o-fenylenodiaminy (POPD). Struktury MOF charakteryzują się wysoką porowatością, składają się z jonów metali lub klastrów oraz ligandów organicznych, wykazując wyjątkowe właściwości, takie jak duża powierzchnia, elastyczność projektowania i wysoka stabilność. Z kolei polimery z odciskami molekularnymi (MIP) to precyzyjnie zaprojektowane syntetyczne polimery, które mogą selektywnie wiązać się z określoną cząsteczką docelową, tworząc skomplikowany mechanizm rozpoznawania na zasadzie “zamka i klucza”. Jako receptory syntetyczne, MIP oferują liczne zalety, w tym wysoką selektywność wobec cząsteczek docelowych, niezwykłą stabilność chemiczną i termiczną, powtarzalność w syntezie i efektywność kosztową.

Proces wytwarzania sensora obejmował kilka kluczowych etapów. Najpierw zsyntetyzowano Cu-MOF metodą współstrącania, wykorzystując octan miedzi (II), kwas para-aminobenzoesowy (PABA) i CTAB rozpuszczone w buforze octanowym. CTAB odgrywa kluczową rolę jako kationowy surfaktant, kontrolujący wzrost cząstek, zapobiegający aglomeracji i promujący tworzenie jednolitych nanocząstek. Następnie zmodyfikowano elektrodę z pasty węglowej dodając proszek Cu-MOF. Kolejnym krokiem była elektropolimeryzacja o-fenylenodiaminy (OPD) w obecności pregabaliny jako matrycy, co doprowadziło do utworzenia polimeru z odciskami molekularnymi (MIP-POPD) na powierzchni elektrody. Po usunięciu cząsteczek pregabaliny z matrycy polimeru powstały specyficzne kieszenie rozpoznające, które umożliwiają selektywne wykrywanie PGB.

Podczas elektropolimeryzacji w obecności pregabaliny (jako cząsteczki matrycy), monomer (o-fenylenodiamina) polimeryzuje wokół matrycy, tworząc specyficzne miejsca wiążące komplementarne pod względem kształtu, rozmiaru i orientacji grup funkcyjnych. Zakres potencjału zapewnia efektywne utlenianie monomeru, podczas gdy powtarzanie skanów buduje stabilną matrycę zawierającą matrycę. Po polimeryzacji cząsteczki matrycy są ekstrahowane, pozostawiając wnęki o wysokim powinowactwie i selektywności w stosunku do pregabaliny, co znacznie zwiększa zdolność rozpoznawania sensora.

Czy wyniki analityczne potwierdzają skuteczność sensora?

Badania wykazały, że opracowany sensor charakteryzuje się trzema liniowymi zakresami detekcji: 0,003-0,09 μM, 0,1-1 μM oraz 1-90 μM, z odpowiadającymi im równaniami regresji. Granica wykrywalności wyniosła zaledwie 1,2 nM, co czyni ten sensor znacznie bardziej czuły niż większość wcześniej opisanych metod. Współczynnik drukowania molekularnego (α) wyniósł 3,211, potwierdzając wysoką selektywność sensora wobec pregabaliny.

Przeprowadzono również szczegółową charakterystykę fizykochemiczną materiałów użytych do konstrukcji sensora. Obrazowanie za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (FE-SEM) i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) potwierdziło, że cząstki Cu-MOF mają kształt sześcienny o długości 156-124 nm. Obraz HRTEM pojedynczego Cu-MOF ujawnił odległość sieciową wynoszącą 0,293 nm. Obraz dyfrakcji elektronów wybranego obszaru (SAED) wykazał serię pierścieni dyfrakcyjnych skupionych wokół punktu transmisji, wskazując na polikrystaliczną naturę Cu-MOF. Analiza spektroskopowa (ATR-FTIR, XRD, XPS) oraz pomiary powierzchni właściwej (BET) dostarczyły informacji o strukturze chemicznej i właściwościach fizycznych materiałów, potwierdzając udaną syntezę Cu-MOF oraz tworzenie polimeru z odciskami molekularnymi.

Analiza BET wykazała, że izoterma Cu-MOF jest typu IV z pętlą histerezy, potwierdzając istnienie mezoporów. Szybki pobór azotu przy P/P0 > 0,9 dla Cu-MOF może wynikać z obecności wtórnych, znacznie większych porów. Model Brunauera-Emmetta-Tellera (BET) określił powierzchnię Cu-MOF na 5,36 m² g⁻¹. Wykres rozkładu wielkości porów Barrett-Joyner-Halenda (BJH) dodatkowo potwierdza obecność znacznych mezoporów mierzących mniej niż 1,2 nm w Cu-MOF. Średnice porów i szczególne powierzchnie zwiększyły szybkość analitów, zwiększając w konsekwencji wydajność czujnika elektrochemicznego.

Badania elektrochemiczne, w tym cykliczna woltamperometria (CV) i elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS), wykazały, że modyfikacja elektrody strukturami Cu-MOF i polimerem MIP-POPD znacząco poprawiła jej właściwości elektrochemiczne. Powierzchnia elektroaktywna elektrody CPE/Cu-MOF/MIP-POPD była około 6,19 razy większa niż powierzchnia niemodyfikowanej elektrody CPE, co przyczyniło się do zwiększenia czułości sensora. Optymalizacja parametrów eksperymentalnych, takich jak stosunek metalu do linkera w Cu-MOF, ilość modyfikatora Cu-MOF w elektrodzie, stosunek molowy cząsteczek matrycy do monomeru, czas ekstrakcji i liczba cykli elektropolimeryzacji, pozwoliła na uzyskanie najlepszych wyników detekcji.

Jak zoptymalizować parametry konstrukcyjne sensorów?

Stosunek metalu do linkera w MOF znacząco wpływa na ich wydajność w czujnikach elektrochemicznych. Wpływa on na strukturę elektronową, porowatość, przewodnictwo, stabilność, aktywność katalityczną, tworzenie defektów i selektywność. Wyższy stosunek prowadzi do poprawy wydajności czujnika ze względu na zwiększoną interakcję z analitami. Zrównoważony stosunek prowadzi do bardziej solidnych struktur MOF, zwiększonej czułości i czasu odpowiedzi oraz poprawy wydajności katalitycznej. Ponadto może wpływać na tworzenie defektów i potencjalnie tworzyć dodatkowe aktywne miejsca do wykrywania. Dlatego staranna optymalizacja jest kluczowa dla rozwoju wysokowydajnych czujników elektrochemicznych.

Ilość modyfikatora w elektrodach z pasty węglowej (CPE) wpływa na wydajność czujników elektrochemicznych. Optymalizacja ilości modyfikatorów może poprawić wydajność czujnika. Dalsze zwiększenie ilości MOF może stworzyć gęstą warstwę, która zapobiega dyfuzji analitów do powierzchni elektrody i zmniejsza czułość i czas odpowiedzi elektrody. Ponadto nadmierna ilość MOF może zakłócić sieć przewodzącą tworzoną przez cząstki grafitu w paście węglowej. Prowadzi to do zmniejszenia efektywności transferu elektronów i ogólnej wydajności elektrody.

Liczba cykli elektropolimeryzacji znacząco wpływa na wydajność elektrochemicznych czujników polimerów z odciskami molekularnymi (MIP). Liczba cykli elektropolimeryzacji określa grubość nadrukowanego filmu w procesie odciskania. Wraz ze wzrostem liczby cykli elektropolimeryzacji zwiększa się grubość filmu MIP, co wpływa na czułość i czas odpowiedzi czujnika. Nadmierne cykle mogą tworzyć ścisły, niskoprowadzący film, który całkowicie blokuje dostęp sondy redoks do powierzchni elektrody. Zmniejsza to również liczbę dostępnych miejsc wiążących. Przy kilku cyklach film MIP staje się zbyt cienki lub luźny, umożliwiając swobodny dostęp sondy redoks do powierzchni elektrody niezależnie od obecności analitu docelowego.

W jaki sposób warunki analityczne wpływają na czułość pomiaru?

Dostosowanie pH roztworu jest kluczowe w pomiarze związków farmaceutycznych za pomocą czujników elektrochemicznych, ponieważ bezpośrednio wpływa na dynamikę reakcji, czułość i ogólną dokładność pomiaru. W związku z tym dostosowanie pH roztworu jest kluczowe dla osiągnięcia idealnych warunków do analizy elektrochemicznej. Znaczenie wartości pH można wyjaśnić, badając dwie cechy: Po pierwsze, interakcja między pregabaliną a ortofenylenodiaminą jest optymalnie osiągana przy pH 7,0. Po drugie, biorąc pod uwagę wartość pKa₁ pregabaliny, ma ona ładunek ujemny przy wyższych wartościach pH, co prowadzi do efektu odpychającego i zmniejszenia prądu szczytowego wraz ze wzrostem pH.

Selektywność sensora została potwierdzona poprzez badanie jego odpowiedzi na obecność potencjalnych substancji zakłócających, takich jak fenobarbital, walproinian sodu, gabapentyna i lamotrygina. Współczynniki selektywności dla tych związków względem pregabaliny wyniosły odpowiednio 11,49, 3,75, 2,62 i 3,32, co potwierdza wyjątkową selektywność sensora wobec pregabaliny. Ponadto, sensor wykazał dobrą odporność na zakłócenia ze strony innych powszechnie występujących związków, takich jak cukry, jony nieorganiczne i związki organiczne.

Czy sensor spełnia wymogi praktyczne w klinice?

Praktyczna użyteczność sensora została zweryfikowana poprzez analizę pregabaliny w próbkach tabletek i osocza krwi. Uzyskane wyniki odzysku (96,67-109,19%) i niskie wartości względnego odchylenia standardowego (RSD) potwierdzają wiarygodność pomiaru PGB w rzeczywistych próbkach. Sensor wykazał również dobrą odtwarzalność (RSD = 0,41%), powtarzalność (RSD = 0,85%) i stabilność długoterminową, zachowując ponad 94% początkowej odpowiedzi po 30 dniach przechowywania.

Jak teoretyczne badania wspierają działanie sensora?

Teoretyczne podstawy działania sensora zostały zbadane za pomocą obliczeń teorii funkcjonału gęstości (DFT), które dostarczyły informacji o interakcjach między cząsteczkami pregabaliny a polimerem OPD. Analiza map potencjału elektrostatycznego cząsteczek (MESP) oraz obliczenia energii wiązania potwierdziły, że wiązania wodorowe odgrywają kluczową rolę w stabilizacji kompleksu PGB-OPD. Zgodnie z profilami MESP, regiony wokół atomów azotu OPD i grupy karboksylowej PGB mogły być selektywnymi miejscami interakcji. Ujemne wartości standardowej zmiany entropii mogą wynikać z utworzenia kompleksu z dwóch odrębnych cząsteczek. Można zauważyć, że tworzenie wiązań wodorowych (HB) między grupą OH PGB jako donorem protonu a atomem N OPD jako akceptorem protonu może być istotnym czynnikiem wpływającym na ukierunkowanie cząsteczek względem siebie.

Zaproponowana platforma czujnikowa oferuje obiecujące korzyści środowiskowe i ekonomiczne, szczególnie do zastosowań terenowych i klinicznych. Cu-MOF i poli(o-fenylenodiamina) (POPD) zostały zsyntetyzowane przy użyciu niskoenergetycznych i wydajnych metod bez użycia toksycznych odczynników. Proces przygotowania przeprowadzono w łagodnych warunkach i przy użyciu małej objętości odczynnika, minimalizując w ten sposób generowanie odpadów chemicznych i obciążenie środowiska. Z ekonomicznego punktu widzenia, użyte materiały są niedrogie, dostępne w handlu, a kroki modyfikacji były proste, powtarzalne i kompatybilne ze skalowaniem przy użyciu niedrogich technik sitodruku lub produkcji seryjnej. Czyni to czujnik wysoce opłacalnym w porównaniu do tradycyjnych metod, takich jak HPLC lub LC-MS, które wymagają drogich urządzeń. Dodanie Cu-MOF zwiększa jego wydajność poprzez zwiększenie powierzchni i liczby miejsc wiążących.

Podsumowując, opracowany sensor elektrochemiczny oferuje prosty, czuły i selektywny sposób wykrywania pregabaliny w próbkach biologicznych i farmaceutycznych. W porównaniu z tradycyjnymi metodami analitycznymi, sensor ten charakteryzuje się niższymi kosztami, krótszym czasem analizy i prostszą procedurą przygotowania próbek. Jego zastosowanie w praktyce klinicznej może przyczynić się do lepszego monitorowania poziomu pregabaliny u pacjentów, co jest istotne dla optymalizacji terapii w leczeniu padaczki, bólu neuropatycznego i innych schorzeń neurologicznych.

Podsumowanie

Opracowanie nowego elektrochemicznego sensora do wykrywania pregabaliny stanowi istotny postęp w monitorowaniu terapeutycznym tego leku stosowanego w leczeniu padaczki, neuralgii popółpaścowej i neuropatii cukrzycowej. Innowacyjny sensor oparty na elektrodzie z pasty węglowej modyfikowanej strukturami metaliczno-organicznymi miedzi oraz polimerem z odciskami molekularnymi wytworzonym z o-fenylenodiaminy oferuje znaczące przewagi nad dotychczasowymi metodami detekcji. Charakteryzuje się wyjątkowo niską granicą wykrywalności na poziomie 1,2 nM, co czyni go znacznie bardziej czułym niż konwencjonalne techniki takie jak HPLC czy LC-MS/MS. Sensor wykazuje trzy liniowe zakresy detekcji obejmujące stężenia od 0,003 do 90 μM, a jego powierzchnia elektroaktywna jest ponad sześciokrotnie większa niż niemodyfikowanej elektrody. Kluczowym elementem konstrukcji jest polimer z odciskami molekularnymi tworzący specyficzne kieszenie rozpoznające pregabalinę na zasadzie mechanizmu zamka i klucza, co zapewnia wysoką selektywność potwierdzoną współczynnikiem drukowania molekularnego wynoszącym 3,211. Badania wykazały doskonałą odporność sensora na substancje zakłócające, w tym inne leki przeciwpadaczkowe oraz powszechnie występujące związki organiczne i nieorganiczne. Praktyczna użyteczność została potwierdzona poprzez analizę próbek tabletek i osocza krwi z wynikami odzysku w zakresie 96,67-109,19 procent oraz dobrą stabilność długoterminową zachowującą ponad 94 procent początkowej odpowiedzi po 30 dniach. Teoretyczne podstawy działania sensora zbadano za pomocą obliczeń teorii funkcjonału gęstości, które potwierdziły kluczową rolę wiązań wodorowych w stabilizacji kompleksu pregabalina-o-fenylenodiamina. W porównaniu z tradycyjnymi metodami analitycznymi sensor charakteryzuje się niższymi kosztami, krótszym czasem analizy eliminującym potrzebę czasochłonnego przygotowania próbek oraz prostszą procedurą operacyjną nie wymagającą toksycznych rozpuszczalników organicznych. Zastosowanie tego sensora w praktyce klinicznej może znacząco usprawnić monitorowanie terapeutyczne pregabaliny, umożliwiając optymalizację dawkowania i poprawę bezpieczeństwa terapii u pacjentów z zaburzeniami neurologicznymi.