Un senzor bioresorbabil monitorizează lactatul din țesuturi adânci timp de peste 10 zile la animale
Cercetătorii au dezvoltat un senzor complet bioresorbabil care monitorizează în mod continuu nivelurile de lactat din țesuturile adânci timp de mai mult de 10 zile în modele animale.
Într-un studiu recent publicat în revista Nature Communications, cercetătorii au dezvoltat și evaluat un senzor electrochimic complet bioresorbabil care monitorizează continuu nivelurile de lactat din țesuturile adânci în modele animale, având aplicații potențiale pentru detectarea timpurie și gestionarea bolilor critice.
Anual, sepsisul afectează milioane de oameni la nivel global, iar condiții care progresează rapid, cum ar fi ischemia, pot lăsa feronete înguste pentru intervenții eficiente. În aceste condiții, nivelurile de lactat pot varia rapid ca răspuns la livrarea afectată de oxigen, cererea celulară modificată și disfuncția mitocondrială. Prin urmare, lactatul poate servi ca biomarker pentru evaluarea severității bolii și ghidarea deciziilor de tratament. Monitorizarea clinică tradițională se bazează pe prelevarea intermitentă de sânge, ceea ce poate omite modificările rapide locale în metabolismul organelor individuale.
Senzorii implantabili anterior utilizați pentru lactat au avut durate de operare limitate sau s-au bazat pe materiale non-degradabile, necesitând îndepărtarea chirurgicală după utilizare. Este nevoie de cercetări suplimentare pentru a dezvolta instrumente mai sigure, durabile și complet bioresorbabile pentru monitorizarea metabolică continuă a țesuturilor adânci.
Cercetătorii au proiectat un senzor electrochimic bioresorbabil pentru lactat, utilizând materiale biodegradabile pentru a permite monitorizarea continuă a lactatului în țesuturile adânci. Dispozitivul a constat dintr-un substrat flexibil adeziv realizat din poli(ethylene glycol) diacrilat (PEGDA) și hidrogel de rețea dublă peptidică, care oferă o aderență puternică la țesuturile umede, menținând în același timp flexibilitatea mecanică. Chitosanul și genipinul au fost utilizate pentru a întări aderența la țesuturi și pentru a îmbunătăți stabilitatea pe termen lung a stratului de detecție care conține enzime.
Sistemul de detecție a folosit electrozi de lucru, contra și de referință din molibden/oxid de molibden (Mo/MoOx). O hidrogelă de polivinil alcool (PVA)/chitosan încărcată cu lactat dehidrogenază (LDH) și nicotinamidă adenină dinucleotid (NAD+) a fost imobilizată pe electrodul de lucru pentru a detecta selectiv lactatul printr-un mecanism de intercalare a protonilor asistat de enzime. Senzorii au fost evaluați pentru sensibilitate, selectivitate, stabilitate mecanică, biodegradabilitate, biocompatibilitate și rezistență la interferențe în condiții de laborator și în animale.
Performanța dispozitivului a fost testată in vivo în iepuri, porci și șobolani în diverse scenarii care au inclus hipoxie sistemică, hipoxie localizată, epilepsie, ischemie miocardică și cerebrală, precum și șoc septic. Iepurii au fost utilizați pentru hipoxia sistemică, ischemia membrelor posterioare și a miocardului, epilepsie și șoc septic; porcii pentru ischemia cerebrală; iar șobolanii pentru monitorizarea pe termen lung a membrelor, bioresorbție și teste de biocompatibilitate.
Un modul extern conectat percutanat, cu Bluetooth, a transmis citiri continue și în timp real ale lactatului. Măsurătorile au fost validate folosind senzori comerciali de lactat aplicați pe fluidele țesutului prelevat și, în experimentele selectate, măsurători ale lactatului din sângele arterial efectuate cu ajutorul unui analizor de gaze din sânge. Electronica externă a fost separată de implantul bioresorbabil.
Senzorul bioresorbabil de lactat a demonstrat o excelentă rezistență mecanică, flexibilitate, aderență la țesuturi și performanță electrochimică, permițând o funcționare stabilă în medii biologice umede. Hidrogelul PEGDA/peptidic a format o interfață durabilă cu țesuturile, în timp ce sistemul de electrozi Mo/MoOx a realizat o detecție sensibilă a lactatului printr-un mecanism de intercalare a protonilor asistat de enzime.
Senzorul a arătat un răspuns liniar la concentrații de lactat relevante din punct de vedere fiziologic de până la 30 mM, cu o limită de detecție de 0,1 mM, având o selectivitate ridicată împotriva interferențelor biologice precum glucoza, ureea, acidul uric și acidul ascorbic.
Senzorul și-a menținut sensibilitatea după 300 de cicluri de îndoire, iar răspunsul său a rămas practic neschimbat după 10.000 de cicluri de vibrație. Acesta a păstrat peste 90% din răspunsul său inițial după nouă zile in vitro și a rămas funcțional timp de mai mult de 10 zile in vivo.
În timpul experimentelor de hipoxie sistemică la iepuri, senzorul a detectat rapid creșterea concentrațiilor de lactat pericardic pe măsură ce disponibilitatea oxigenului a scăzut. În contrast, indicatorii fiziologici convenționali, inclusiv ritmul cardiac (PR) și saturația de oxigen periferică (SpO2), au rămas neschimbați pe parcursul acelei scurte perioade de observație. Măsurătorile continue ale lactatului s-au corelat strâns cu valorile obținute folosind senzori de lactat comerciali, oferind în același timp o monitorizare în timp real neîntreruptă.
În timpul modificărilor controlate ale ratei de respirație, senzorul a urmărit continuu lactatul pericardic, în timp ce lactatul din sângele arterial măsurat cu un analizor de gaze din sânge convențional a arătat o creștere neglijabilă. PR și SpO2 au scăzut pe parcursul acestei perioade mai lungi de observație.
Senzorul, conectat la modulul wireless extern, a urmărit continuu dinamica lactatului în timpul hipoxiei localizate în creier, mușchiul scheletic și inimă. În modelele de ischemie cerebrală pe porci, nivelurile de lactat au crescut pe măsură ce ischemia a progresat, în ciuda stabilității indicilor fiziologici.
În iepurii cu ischemie a membrelor posterioare, nivelurile de lactat muscular au crescut în timpul ischemiei și au scăzut după reperfuzie, în timp ce PR și SpO2 au rămas în mare parte neschimbate. Ischemia miocardică a produs, de asemenea, o creștere pronunțată a lactatului pericardic în raport cu acești indicatori sistemici.
Într-un model de membru posterior la șobolani, senzorul a generat răspunsuri consistente în zilele 0, 4, 7 și 10 și a păstrat un răspuns de calibrare liniar după 11 zile. Cu toate acestea, sensibilitatea sa a scăzut cu aproximativ 30%, probabil din cauza degradării treptate a componentelor care conțin enzime. Cercetătorii au observat că cuantificarea absolută in vivo ar beneficia de recalibrări periodice.
Experimentele separate de implantare la șobolani au arătat că substratul de hidrogel s-a degradat complet în 16 săptămâni, în timp ce electrozii Mo/MoOx s-au dizolvat progresiv pe parcurs
