Ein Gerät, das Niveau der spezifischen Medikamenten überwachen können, wie sie durch die Blutbahn fließen bald zu nehmen das Rätselraten bei der Medikamentendosierung und Ärzten erlauben, Rezepte , um ihre Patienten spezifische Biologie zuzuschneiden. Entwickelt von UC Santa Barbara Forscher Tom Soh , Kevin Plaxco und Scott Ferguson, der Biosensor vereint Technik und Biochemie und hat weitreichende Potenzial.
Ärzte und Pharma-Unternehmen können in der Regel bestimmen angemessenen Dosierungen für die meisten Patienten durch Batterien von Tests und Prüfungen . Die Wirksamkeit einer medikamentösen Behandlung beruht jedoch auf die Aufrechterhaltung therapeutischer Mengen des Wirkstoffs im Körper, eine Leistung, nicht so leicht zu bewerkstelligen .
" Aktuelle Dosierungsschemata sind wirklich ziemlich primitiv ", sagte Plaxco , Professor für Chemie und der molekularbiologischen Wissenschaft und Technik. Sie berufen sich auf das Alter der Patienten oder Körpergewicht und sind unfähig, für spezifische Reaktionen im Laufe der Zeit zu berücksichtigen. Wirkstoffspiegel kann durch individuelle Patienten Stoffwechsel beeinflusst werden , oder auch durch die Lebensmittel, die sie essen, oder andere Medikamente, die sie einnehmen könnte . In Verbindung mit dem Urzustand aktuelle Dosierung Algorithmen kann diese Variabilität sehr gefährlich für die Medikamente, die engen therapeutischen Bereich besitzen. Das wiederum sowohl Arzt und Patient auf dem schmalen Grat zwischen Wirksamkeit und Toxizität auszugleichen.
Wissenschaftler könnten einen großen Schritt näher an zu zerstreuen , die Unsicherheit um biologische Reaktionen der Patienten , wie sie diese Medikamente mit einem Gerät, das nur ein bisschen länger als ein Jumbo Büroklammer ist erhalten . In winzigen Mengen von Vollblutkonzentrationen von spezifischen Molekülen - genannt MEDIC ( Mikrofluidik elektrochemischen Detektor für In-vivo- kontinuierliche Überwachung ) kann das Gerät bestimmen - kontinuierlich und in Echtzeit. Die Art der Informationen, die sie zur Verfügung stellen kann, könnte man wirklich personalisierten Medizin führen .
" Je einfacher und schneller mit Ihrem Arzt können bestimmte Moleküle nachzuweisen - Wirkstoffmoleküle , Proteine, die Diagnose einer bestimmten Krankheit sind - desto schneller wird Ihr Arzt kann Krankheit zu diagnostizieren und zu überwachen Behandlung", sagte Plaxco .
Dieses Werk ist das Ergebnis einer mehrjährigen Zusammenarbeit zwischen den Forschungslabors von Professoren Plaxco ; Soh , Ruth Garland Vorsitzenden und Professor für Maschinenbau , Chemieingenieurwesen und Materialien; und Tod Kippin von der Abteilung für Psychologische und Neurowissenschaften . Die MEDIC Gerät besteht aus einer mikrofluidischen Kammer mit Gold-Elektroden , von denen medikamentös erkennen Biomolekülen gefüttert - in diesem Fall künstliche DNA-Stränge genannte Aptamere - zu verlängern. Wenn das Zielmolekül in Kontakt kommt, mit einem Aptamer , erkennt der Strang und es umschlingt Molekül Abgabe von Elektronen von der Spitze zu der Elektrode an der Aptamer -Basis. Die winzige Stromstoß signalisiert das Vorhandensein des Moleküls.
" Zum ersten Mal können wir sehen, wie der Körper die Bearbeitung spezifischer Moleküle ", sagte Ferguson, ein Postdoc-Forscher in der Soh Labor und der Hauptautor der Studie. Ferguson erfand die zentrale Technologie zur kontinuierlichen Überwachung Wirkstoffspiegel im Vollblut , ein Element der Zeit, die notwendig ist, um ein vollständiges Bild von , wie ein Individuum reagiert auf ein bestimmtes Medikament liefern . Vorherige Iterationen des Gerätes würde nach etwa einer halben Stunde ausfallen, da die Komponenten im Vollblut - Proteine und Gerinnungs - sind klebrig und würde zu den Sensoren festhalten , Gummieren der Arbeiten .
Für Ferguson es wurde eine Maschinenbau Problem , das er durch die Einführung einer zweiten Strömung in die Kammer , eine Flüssigkeit Puffer auf den Sensoren , die ohne Vermischung mit oder zu stören rechts oben auf den Blutkreislauf gestapelt gelöst. Der Puffer war die ideale Umgebung für die Aptamere und verhielt sich wie ein Filter , Trennung der großen Blutbestandteile von den kleinen Wirkstoffmolekülen .
"Wir haben einen klassischen Ansatz, der die Unterschiede in Leitfähigkeit nutzen ist : Große Sachen diffundiert langsam , während die kleinen Dinge viel schneller diffundiert ", sagte Ferguson .
"Denken Sie an Badegäste ", erklärte er , " schwimmen von einem Flussufer zum anderen über einen sich schnell bewegenden Strom . Je schneller Schwimmer können es über den Bach zu machen, während die langsameren Schwimmer erhalten Downstream von der aktuellen durchgeführt. " Auf diese Weise wird das langsamere , größeren Blutkomponentenweiterhin entlang des Blutflussstromzu bewegen, während die kleineren , sich schneller bewegenden Moleküle können aus der Blutfluss durch den Puffer zu den Sensoren zu überqueren. "
"Das Gerät funktioniert unglaublich gut ", sagte Kippin , dessen Labor testete die Mikrofluidik-Vorrichtung . " Die Messungen waren sehr empfindlich auf Dosen , die klinisch relevant sind, und konnte über mehrere Stunden aufrechterhalten werden. Ferner haben wir gezeigt, eine hohe Selektivität und Flexibilität , dass die Vorrichtung nur empfindlich gegenüber der Ziel sogar bei Verabreichung einen Cocktail von Medikamenten. "
MEDIC ist immer noch in den frühen klinischen Phasen , und Zulassungen für medizinische Zwecke können einige Jahre entfernt , aber seine Wirksamkeit eröffnet Türen der Gelegenheit und die Fortschritte , die Soh können bereits sehen . Kurzfristig kann das Gerät verfügbar zu machen die Art von Daten für wichtige Fortschritte in der medikamentösen Therapie notwendig.
"Es kann den Stoffwechsel in Echtzeit zu messen , so dass Sie das Medikament in der richtigen Menge zu liefern ", sagte Soh .
Diese Funktion kann auch mögliche Auswirkungen in der Welt von Pharmazeutika , in der neu entwickelte Medikamente müssen strenge Tests durchlaufen und oft zu kurz .
"Eine Menge von Drogen nicht in klinischen Phase- drei Versuche , und es ist sehr teuer für die Pharmaunternehmen . Die dritte Phase ist die Hürde in der sie in einer breiten Bevölkerung arbeiten muss ", erklärte Soh . Mit fortschrittlichen Echtzeit- kontinuierliche Überwachung , Medikamente, die gewesen sein kann wirksam für einige, aber nicht für die anderen eingestellt werden, um ihre Leistung zu verbessern und letztlich eine größere Auswahl an Therapien.
Zusätzlich Aptamere sind relativ leicht Biosensoren herzustellen und weiterentwickelt werden, um die Proteine, die Indikatoren für die Krankheit sind Ziel , Beihilfe in anspruchsvoller Diagnostik. Mehrere Schichten von unterschiedlichen Sensoren können auch in der gleichen Vorrichtung gelegt , um mehrere Ziele gleichzeitig zu überwachen.
Der nächste Schritt für die Forscher ist es, Medikamente automatisch zu liefern , mit Dosierungen basierend auf dem Feedback vom Gerät erzeugt wird. Eine künstliche Bauchspeicheldrüse, die Glucosespiegel bei Diabetikern beobachtet und verwendet diese Informationen , um eine kontrollierte Dosis von Insulin zu injizieren , ist ein Beispiel für ein solches System. UCSB Forscher in der chemischen Technik vor kurzem half bei der Entwicklung einer künstlichen Bauchspeicheldrüse System, das in klinischen Studien in Verbindung mit Insulin- Therapien für Typ 1 Diabetes war.
"Die Möglichkeit, Feedback zu tun ist wirklich kritisch für viele Krankheiten", sagte Soh . Chemotherapie Zum Beispiel , wo der therapeutische Bereich eng ist für viele Medikamente und Patienten müssen eine Dauerinfusion , könnte aus einem durchgehenden Rückkopplungsschleife zwischen dem Patienten und der Pumpe zur Verfügung.
" Auf lange Sicht , die wir dieses Feedback nutzen, um gebrochen biologischen Systemen zu kontrollieren ", sagte er .