Мониторинг концентрации препаратов в крови on-line
Миниатюрное устройство, разработанное исследователями университета Калифорнии в Санта-Барбаре, в скором будущем позволит врачам назначать дозировку препаратов не наугад, а на основании биологических особенностей организма пациента.
Традиционно специалисты фармацевтических компаний определяют рекомендуемые дозировки лекарственных препаратов на основании результатов множества лабораторных тестов и клинических исследований. Однако эффективность медикаментозного лечения зависит от поддержания стабильной терапевтической концентрации препарат в организме. Добиться этого, к сожалению, не так просто.
По словам одного из разработчиков профессора Кевина Плакско (Kevin Plaxco), на сегодняшний день принципы подбора протоколов лечения достаточно примитивны. Они основываются на возрасте и массе тела пациента и не принимают во внимание никаких специфических реакций организма. Концентрация препарата в организме зависит от особенностей метаболизма пациента, других принимаемых им препаратов и даже от употребляемой им пищи. В комплексе с примитивным характером современных протоколов дозирования эта вариабельность может быть достаточно опасна при приеме лекарств с узкими диапазонами терапевтической концентрации, в особенности противоопухолевых химиопрепаратов. В результате и врачи, и пациенты вынуждены балансировать на тонкой грани между эффективностью и токсичностью.
Разработанное авторами устройство, получившее название MEDIC (от англ. Microfluidic Electrochemical Detector for In vivo Continuous monitoring – микрожидкостной электрохимический детектор для непрерывного мониторинга in vivo), значительно приближает к реальности возможность регистрации биологических реакций пациента на принимаемые им препараты.
Он позволяет непрерывно в режиме реального времени определять концентрации определенных молекул в небольшом количестве крови. Доступность такой информации в будущем может в прямом смысле слова персонализировать медицину.
MEDIC состоит из микрожидкостной камеры, на поверхность который нанесены золотые электроды, покрытые искусственными цепочками ДНК – аптамерами, выполняющими функцию распознавания. При взаимодействии молекулы-мишени с соответствующим аптамером цепочка ДНК оборачивается вокруг нее. В результате электроны с конца цепочки переносятся на основание аптамера. Формирующийся в результате слабый электрический импульс сигнализирует о присутствии молекулы-мишени.
Более ранние версии устройства быстро утрачивали функциональность из-за прилипавших к сенсорам белковых компонентов крови. Эту проблему удалось решить путем создания в камере второго потока из жидкого буфера, омывающего сенсоры и не смешивающегося с потоком крови. Буфер выступает в качестве фильтра, задерживающего крупные компоненты крови и пропускающего малые молекулы к сенсорам.
MEDIC осуществляет замеры концентраций определенных соединений в крови (схема из статьи в Science Translational Medicine).
(А) Чип MEDIC соединяется с кровотоком пациента для оценки фармакокинетики лекарственного препарата.
(В) Аптамерный зонд, прикрепленный к золотому электроду. Связывание мишени (зеленого цвета) индуцирует обратимое изменение конформации молекулы зонда, усиливающую интенсивность переноса электронов между электрохимическим окислительно-восстановительным генератором (голубого цвета) и микроэлектродом, что обеспечивает возникновение регистрируемого электрического заряда, показывающего изменение концентрации препарата в реальном времени (вверху справа).
(C) Диффузионный фильтр, сформированный наложенными друг на друга ламинарными потоками буфера (голубого цвета) и крови (красного цвета) обеспечивает доступ молекул-мишеней к молекулам-зондам и исключает помехи со стороны крупных белковых молекул.
(D) Наличие сигнала (красного цвета) и отсутствие сигнала (голубого цвета) обеспечивают значительное смещение в ответ на воздействие мишени (фиолетового цвета). Кинетическое дифференциальное измерение (зеленого цвета) повышает точность оценки силы тока в реальном времени путем минимизации смещения и увеличения отношения сигнал/шум.
Тестирование нового устройства в лабораторных условиях продемонстрировало его высокую эффективность. Оно предоставляло точные данные о концентрации молекул-мишеней в крови в течение нескольких часов. Более того, его исключительная избирательность обеспечивала регистрацию концентрации только молекул-мишеней даже при использовании комплекса препаратов.
На сегодняшний день MEDIC находится на ранних стадиях клинических исследований и его одобрение для практического использования может быть получено не раньше чем через несколько лет. Однако разработчики уверены в его большом будущем. Помимо повышения эффективности использования существующих лекарственных препаратов, MEDIC может быть полезен и для фармацевтической промышленности. Дело в том, что многие экспериментальные препараты не проходят фазу 3 клинических исследований, целью которой является проверка действия препарата в отношении общей популяции пациентов. Непрерывный мониторинг в реальном времени позволит повысить эффективность препаратов путем индивидуального подбора дозировки.
Более того, биосенсоры на основе аптамеров относительно просты в производстве и их можно использовать для мониторинга белков, являющихся индикаторами заболеваний. А несколько слоев таких биосенсоров в составе одного устройства можно применять для одновременного мониторинга нескольких молекул-мишеней.
Следующим этапом работы является дополнение MEDIC механизмом обратной связи и устройством автоматического введения препаратов в оптимальной дозировке, определяемой на основании результатов мониторинга. Примером подобной системы, в разработке которой авторы принимали участие, является искусственная поджелудочная железа, в настоящее время проходящая клинические исследования с участием пациентов с сахарным диабетом 1 типа.
Статья B. S. Ferguson et al. Real-Time, Aptamer-Based Tracking of Circulating Therapeutic Agents in Living Animals опубликована в журнале Science Translational Medicine.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам UC Santa Barbara: Live Feed into Our Bodies.
24.01.2014