Desde a descoberta da penicilina em 1928, as bactérias desenvolveram inúmeras maneiras de escapar ou ignorar completamente os efeitos dos antibióticos. Felizmente, os prestadores de cuidados de saúde têm um arsenal de antibióticos pouco utilizados que ainda são eficazes contra estirpes de bactérias que de outra forma seriam resistentes.



Pesquisadores do Sandia National Laboratories combinaram trabalhos anteriores sobre microagulhas indolores com sensores em nanoescala para criar um sensor vestível capaz de monitorar continuamente os níveis de um desses antibióticos.

O antibiótico específico que estão rastreando é a vancomicina, que é usada como última linha de defesa para tratar infecções bacterianas graves, disse Alex Downs, Jill Hruby Fellow e líder do projeto. A monitorização contínua é crucial para a vancomicina porque existe um intervalo estreito dentro do qual ela mata eficazmente as bactérias sem prejudicar o paciente, acrescentou ela.

“Esta é uma excelente aplicação porque requer um controle rígido”, disse Philip Miller, engenheiro biomédico da Sandia que aconselhou o projeto. “Em um ambiente clínico, isso aconteceria se um médico verificasse o paciente de hora em hora e solicitasse uma medição sanguínea de vancomicina em um único ponto no tempo. Alguém viria tirar sangue, enviaria para a clínica e obteria uma resposta voltar mais tarde. Nosso sistema é uma maneira de resolver esse atraso."

Os pesquisadores compartilharam como fazer esses sensores e os resultados de seus testes em um artigo publicado recentemente na revista Biosensors and Bioelectronics. .

Fabricação de sensores eletroquímicos de microagulhas

O sistema de sensor começa com uma microagulha disponível comercialmente, comumente usada em canetas de insulina. Adam Bolotsky, cientista de materiais da Sandia, pega um fio de ouro revestido de polímero com cerca de ¼ da espessura de um fio de cabelo humano e apara uma das pontas em ângulo. Ele então insere cuidadosamente o fio dourado na agulha, solda-o a um conector e garante que esteja eletricamente isolado. Os pesquisadores também constroem eletrodos de referência e contra-eletrodos de maneira semelhante, usando fios revestidos de prata e platina dentro de microagulhas comerciais, respectivamente.

Essas agulhas são então inseridas em um remendo de plástico, do tamanho de um dólar de prata, projetado pelos tecnólogos da Sandia, Bryan Weaver e Haley Bennett. Este patch inclui espaço para nove microagulhas, mas pode ser ajustado para qualquer número desejado, disse Downs. Na superfície diagonal exposta de cada fio de ouro, os pesquisadores fixam quimicamente os sensores em nanoescala.

Os sensores, chamados aptâmeros, são cadeias de DNA com um ligante de superfície em uma extremidade e uma substância química eletricamente sensível na outra. Downs explicou que quando o DNA se liga ao antibiótico vancomicina, ele muda de forma, aproximando a substância química eletricamente sensível da superfície do ouro. Este movimento aumenta a corrente detectada pelo sistema de sensores. Quando a concentração de vancomicina diminui, parte do DNA retorna à sua forma original, que também é detectada eletricamente.

"Essa reversibilidade é útil para coisas como medições em tempo real", disse Downs. “Se você quiser ver a concentração de uma determinada substância química presente na pele ou no sangue a qualquer momento, então ser capaz de medir aumentos e diminuições é muito importante”.

Downs trabalhou com o sensor de aptâmero durante sua pesquisa de doutorado e trouxe o conhecimento com ela para Sandia, onde trabalhou para combiná-lo com a experiência de Sandia com microagulhas que podem fornecer aos médicos informações semelhantes sobre uma coleta de sangue com menos dor.

“Eu fundi meu conhecimento de detecção baseada em aptâmeros e monitoramento em tempo real com a tecnologia que Ronen Polsky e Phil Miller desenvolveram em Sandia”, disse Downs. “Ao integrar essas duas ferramentas, miniaturizamos substancialmente o sistema de detecção e verificamos que ele funcionava em uma microagulha”.

Testando as agulhas (e próximos passos)

Depois de construir os sensores de microagulhas, a equipe testou se um sensor de microagulhas poderia detectar vancomicina em uma solução salina que imitasse as condições dentro do corpo, disse Downs. Uma vez bem-sucedidos, eles testaram todo o sistema, completo com eletrodos de referência e contra-eletrodos, em uma solução muito mais complexa:sangue de vaca não diluído. O sistema ainda foi capaz de detectar vancomicina.

Então, para testar se as microagulhas e os aptâmeros funcionariam após serem inseridos na pele, os pesquisadores inseriram o adesivo na pele de porco várias vezes, monitoraram o sinal eletrônico do adesivo enquanto ele estava na pele e testaram sua capacidade de detectar vancomicina. .

“Era muito incerto se isso manteria o sinal quando você o colocasse na pele”, disse Downs. "Cada microagulha é seu próprio eletrodo de detecção individual. Se os sensores não formassem um bom contato elétrico, isso realmente não funcionaria. Essa foi a maior incerteza e algo que nunca havíamos testado em Sandia."

Desde o teste bem-sucedido do sistema de sensores, o próximo passo é fazer parceria com outro grupo de pesquisa para testá-los em humanos ou outros animais, disseram Downs e Miller.

“O próximo grande obstáculo técnico é provar que funciona no corpo por um longo período de tempo”, disse Miller.

Olhando para o futuro, um sistema semelhante com diferentes aptâmeros de DNA poderia ser usado para monitorar citocinas, pequenas proteínas usadas para transmitir mensagens dentro do corpo, bem como outras proteínas ou moléculas menores que mudam significativamente durante infecções. Esses sistemas podem ajudar os médicos a diagnosticar mais rapidamente a doença de um paciente ou até mesmo auxiliar na triagem durante situações de emergência.

Downs também tem estudado quais coisas no sangue e na pele poderiam “entupir” os sensores e reduzir sua precisão ao longo do tempo. Ela, juntamente com a estagiária de verão Amelia Staats, descobriram que o fibrinogênio, uma proteína envolvida na coagulação do sangue, é o principal culpado pela interferência de sinal. Os pesquisadores planejam publicar essas descobertas em um próximo artigo.

“Este sistema pode ser usado em qualquer lugar onde haja grandes mudanças químicas no corpo, onde você queira medir essas mudanças ao longo do tempo para entender melhor o que está acontecendo no corpo”, disse Downs.

Mais informações: Alex M. Downs et al, Detecção eletroquímica baseada em aptâmero de microagulhas:Medições de moléculas pequenas em tempo real usando microagulhas de aço inoxidável comercialmente disponíveis e incorporadas em sensores, Biossensores e bioeletrônica (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115408
Informações do diário: Biossensores e Bioeletrônica

Fornecido pelos Laboratórios Nacionais Sandia