Przełomowy sensor elektrochemiczny rewolucjonizuje monitoring terapii sertraliną

Czy elektrochemia rewolucjonizuje monitorowanie terapii?

Nowoczesne elektrochemiczne wykrywanie sertraliny budzi coraz większe zainteresowanie ze względu na rosnącą potrzebę prostych, dokładnych i szybkich metod analitycznych w monitorowaniu terapii. Sertraline (SRT), powszechnie stosowany inhibitor wychwytu zwrotnego serotoniny (SSRI), jest lekiem pierwszego rzutu w leczeniu zaburzeń lękowych i depresyjnych. Sertraline stosuje się również w leczeniu zaburzeń obsesyjno-kompulsywnych, zespołu stresu pourazowego, przedmiesiączkowych zaburzeń dysforycznych, zaburzeń panicznych oraz choroby afektywnej dwubiegunowej.

Dotychczasowe metody oznaczania SRT, takie jak ultraperformance liquid chromatography (UPLC), high performance liquid chromatography (HPLC), gas chromatography-mass spectroscopy (GC-MS), thin layer chromatography (TLC), metody spektroskopowe oraz niektóre podejścia elektrochemiczne, choć skuteczne, często wymagają złożonego przygotowania próbek i generują znaczne ilości odpadów. Nowoczesne techniki elektrochemiczne, będące przedmiotem niniejszego badania, oferują znaczące korzyści – mniejszą ilość przygotowania próbek, redukcję odpadów oraz potencjał do przeprowadzania szybkich, czułych i ekonomicznych analiz. “Techniki elektrochemiczne są szczególnie przydatne w zastosowaniach biologicznych, środowiskowych, rolniczych, żywnościowych i farmaceutycznych ze względu na ich dużą czułość i precyzję” – zauważają autorzy badania.

Warto zauważyć, że niemodyfikowane elektrody napotykają na wyzwania, takie jak powolny transport elektronów, co zmniejsza czułość. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, badacze modyfikują elektrody materiałami funkcjonalnymi, takimi jak barwniki elektroaktywne i nanomateriały, zwiększając czułość i wydajność poprzez zmniejszenie nadpotencjałów. Sensory elektrochemiczne wykorzystujące te modyfikowane elektrody stanowią potężną klasę narzędzi analitycznych, dostarczając precyzyjnych i wiarygodnych informacji o tożsamości i stężeniu analitów, nawet na niezwykle niskich poziomach.

Jak zbudowano nowatorski sensor elektrochemiczny?

W badaniu opracowano nowatorski sensor elektrochemiczny oparty na polimeryzacji błękitu metylenowego (MB) na elektrodzie z węgla szklistego (GCE). MB, kationowy barwnik rozpuszczalny w wodzie, doskonale sprawdza się jako mediator redoks dzięki obecności bogatych w elektrony atomów siarki i azotu w swojej strukturze molekularnej. Proces elektropolimeryzacji polega na zanurzeniu elektrody pracującej w roztworze elektrolitu zawierającym monomery, gdzie polimeryzacja jest inicjowana przez utlenianie elektrochemiczne. Zaletami tego procesu są stabilność, opłacalność i doskonała przewodność elektryczna.

Mechanizm elektropolimeryzacji MB zależy od czynników takich jak przyłożony potencjał, elektrolit i dodatki. MB może tworzyć polimer, integrować się z kopolimerem lub być osadzany jako cienka warstwa. Modyfikując parametry elektropolimeryzacji, właściwości elektrochemiczne i morfologię filmu można dostosować do konkretnych zastosowań. W przeprowadzonym badaniu, w celu wykonania procedury elektropolimeryzacji, GCE zanurzono w roztworze o pH 7,0 zawierającym 1,0 mM MB i 0,1 M bufor fosforanowy (PBS). Zakres potencjału użyty do pomiaru woltamperometrii cyklicznej wynosił od -0,5 V do 0,2 V z szybkością skanowania 0,05 V/s.

Badania powierzchni morfologicznej PMB/GCE za pomocą SEM i EDX wykazały, że modyfikowana elektroda ma unikalną morfologię o ziarnistej powierzchni z licznymi małymi, okrągłymi lub lekko wydłużonymi wypukłościami, co przyczynia się do zwiększenia powierzchni elektrody. Spektroskopia EIS wykazała znacznie niższą wartość Rct (0,124 kΩ) dla PMB/GCE w porównaniu do czystej GCE (1,348 kΩ), co wskazuje na ulepszoną kinetykę przenoszenia ładunku na modyfikowanej elektrodzie.

Do dalszej charakteryzacji zastosowano spektroskopię UV-Vis, która pozwoliła scharakteryzować poszczególne składniki (SRT i MB) oraz ich mieszaninę. SRT wykazał wyraźne piki absorpcji przy 273 nm w regionie UV, co można przypisać zdelokalizowanym elektronom pierścieni aromatycznych, które wykazują przejście π-π*. Widmo MB wykazało charakterystyczny pik absorpcji przy 660 nm, odpowiadający przejściu π-π*, które jest odpowiedzialne za jego niebieski kolor. Widmo UV-Vis mieszaniny MB i SRT wykazuje dwa wyraźne obszary absorpcji – wyraźny pik o wysokiej intensywności w obszarze widzialnym przy 660 nm oraz pik o znacznie niższej intensywności w regionie UV przy 273 nm.

Czy warunki reakcji decydują o czułości pomiaru?

Kluczową rolę w zachowaniu elektrochemicznym sertraliny odgrywa pH środowiska. W lekko kwaśnym pH (5-7) sertraline wykazywała minimalną aktywność elektrochemiczną. Natomiast w zakresie alkalicznym (8-12) obserwowano wyraźne sygnały elektrochemiczne. Utlenianie SRT na PMB/GCE wykazuje zależność od pH, przy czym potencjał piku przesuwa się w kierunku ujemnym wraz ze wzrostem pH, co wskazuje na zużycie protonów podczas reakcji utleniania. W konsekwencji jako odpowiednie pH do dalszych badań wybrano bufor B-R o pH 9,0.

Czy wybór pH ma kluczowe znaczenie dla czułości metody? Badania wykazały, że tak – obserwowany stosunek m/n wynoszący ~1,06 wskazuje na stechiometrię proton-elektron bliską 1:1 w procesie elektroutleniania SRT, co potwierdza optymalność wybranego środowiska reakcji.

Analiza wpływu szybkości skanowania (w zakresie od 0,025 do 0,2 V/s) wykazała liniową korelację między prądem piku (Ipa) a pierwiastkiem kwadratowym z szybkości skanowania (υ^1/2), co silnie sugeruje, że proces utleniania SRT na elektrodzie PMB/CPE jest kontrolowany przez dyfuzję. Współczynnik przenoszenia ładunku (α) i stała szybkości przenoszenia elektronów (ks) zostały obliczone odpowiednio jako 0,34 s^-1 i 1,75 s^-1.

Badania elektrochemiczne na PMB/GCE wykazały, że nieodwracalne utlenianie SRT jest regulowane przez mieszany proces dyfuzji i adsorpcji. Mechanizm utleniania SRT obejmujący dwa elektrony i dwa protony został wcześniej opisany w literaturze. Zrozumienie tego mechanizmu jest kluczowe dla optymalizacji warunków detekcji i interpretacji otrzymanych sygnałów analitycznych.

Czy precyzja i szybkość analizy sprostają wymaganiom klinicznym?

Zdolności analityczne zmodyfikowanej elektrody PMB/CPE zostały dokładnie zbadane zgodnie z wytycznymi ICH. Różnicowa woltamperometria pulsowa (DPV) została wybrana jako metoda analityczna ze względu na jej wysoką czułość. Liniowa krzywa kalibracyjna została uzyskana w zakresie stężeń od 0,5 do 30 µM, opisana równaniem Ip (µA) = 0,114 C + 6,2701 (r² = 0,9999). Granica wykrywalności (LOD) i granica oznaczalności (LOQ) wyniosły odpowiednio 0,286 µM i 0,868 µM, co demonstruje wysoką czułość metody.

Dokładność metody oceniono przy użyciu platformy PMB/GCE. Badania odzysku wykorzystywały pięć stężeń SRT (5,0, 10,0, 15,0, 20 i 25 µM), które obejmowały pełny zakres analityczny. Odzyski były doskonałe, od 99,08 do 101,09%. Precyzję zbadano dokładnie za pomocą DPV, oceniając precyzję pośrednią i powtarzalność. Precyzję wewnątrzdobową określono na podstawie dziewięciu odczytów trzech stężeń 5,0, 10 i 15 µM, a precyzję międzydobową testowano przez trzy kolejne dni. Zaobserwowano, że RSD dla obu było mniejsze niż 2%, co wskazywało, że proponowana metoda jest precyzyjna.

Jakie praktyczne zastosowania ma opracowany sensor? Zmodyfikowaną elektrodę PMB/GCE zastosowano do bezpośredniego pomiaru SRT w rozpuszczonych tabletkach Moodapex^® (50 mg SRT/tabletka). Doskonałe współczynniki odzysku potwierdziły dokładność i selektywność metody, nawet w obecności innych nieaktywnych składników w tabletkach. Ponadto, aby ocenić potencjał metody do monitorowania leków, zmierzono SRT w próbkach ludzkiego osocza. Wyzwaniem jest fakt, że stężenia szczytowe w osoczu (Cmax) osiągają zazwyczaj 20-55 µg/L w ciągu 4-8 godzin, co jest poniżej mierzalnego zakresu standardowej, niemodyfikowanej GCE. Zwiększona czułość zapewniona przez modyfikację PMB pozwoliła na bezpośredni pomiar SRT w próbkach osocza bez potrzeby złożonych procedur ekstrakcji.

Badania selektywności wykazały, że sensor może skutecznie odróżniać SRT od innych substancji obecnych w próbkach biologicznych, takich jak kwas moczowy (UA) i kwas askorbinowy (AA). “Mieszanina przy pH 9 wykazuje tylko dwa wyraźne piki, odpowiadające SRT i UA. Brak piku AA w mieszaninie jest prawdopodobnie spowodowany jego niestabilnością i degradacją przy pH 9” – wyjaśniają badacze. Jest to istotna obserwacja, ponieważ podkreśla znaczenie uwzględniania zachowania analitów zależnego od pH podczas opracowywania metod jednoczesnego oznaczania w złożonych matrycach.

Czy innowacyjna metoda zmieni praktykę monitorowania leków?

Porównanie sensora PMB/GCE z wcześniej zgłoszonymi elektrodami używanymi do oznaczania SRT wykazało, że opracowany sensor wykazuje doskonały limit wykrywalności, przewyższając wszystkie poprzednie doniesienia. Dodatkowo, ocena zrównoważonego rozwoju z wykorzystaniem narzędzia Red, Green, Blue (RGB12) wykazała, że proponowane podejście jest bardziej ekonomiczne, przyjazne dla środowiska, zrównoważone i analitycznie wydajne niż wcześniej opublikowane metody.

Warto podkreślić aspekt ekologiczny opracowanej metody. Narzędzie RGB12, opracowane przez Pawła Nowaka i współpracowników w czerwcu 2021 roku, oferuje prostą ocenę zasad WAC (White Analytical Chemistry). Dwanaście algorytmów w RGB12 jest podzielonych na trzy główne grupy: czerwone, zielone i niebieskie. Podgrupa zielona (G1-G4) ocenia kluczowe atrybuty GAC (Green Analytical Chemistry), takie jak toksyczność, wytwarzanie odpadów, zużycie energii i potencjalny wpływ na ludzi, zwierzęta i organizmy modyfikowane genetycznie. Podgrupa czerwona (R1-R4) koncentruje się na pomiarach walidacyjnych, a podgrupa niebieska (B1-B4) dotyczy efektywności kosztowej, efektywności czasowej i czynników ekonomicznych.

Dodatkowo, przyjazność dla środowiska opracowanej techniki została potwierdzona za pomocą ocen AGREE, AGREE prep, Complex MoGAPI i indeksu NQS. Metoda została uznana za dobrą ekologicznie z istotnym wynikiem AGREE 0,78, wynikiem AGREE prep 0,81 i zielonym wynikiem Complex MoGAPI 83. Badanie przedstawia również indeks NQS jako kompleksową ocenę zgodności podejścia z zasadami zrównoważonego rozwoju, łącząc trzy kluczowe czynniki: zrównoważenie środowiskowe, jakość analityczną i potrzebę społeczną.

Podsumowując, opracowany ekologiczny sensor elektrochemiczny oparty na elektrochemicznej polimeryzacji barwnika metylenowego na elektrodzie z węgla szklistego umożliwia precyzyjne oznaczanie SRT w preparatach farmaceutycznych i wzbogaconym ludzkim osoczu. Sensor wykazał zadowalającą wydajność w różnych matrycach, w tym w próbkach farmaceutycznych i wzbogaconym osoczu. Opracowana metoda pozwala na dokładne oznaczanie SRT w szerokim zakresie stężeń dzięki szerokiemu liniowemu zakresowi dynamicznemu (0,5-30 µM) i niezwykle niskiemu limitowi wykrywalności (0,28 µM).

Czy ta metoda może zrewolucjonizować monitorowanie stężenia leków przeciwdepresyjnych w praktyce klinicznej? Wyniki badania sugerują, że tak – prostota, opłacalność, wysoka czułość i potencjał do wykrywania w czasie rzeczywistym czynią tę metodę atrakcyjną alternatywą dla tradycyjnych metod analitycznych, jak HPLC czy spektrometria mas. Dla lekarzy oznacza to możliwość szybszego dostosowywania dawek i bardziej precyzyjnego monitorowania terapii, co może przełożyć się na lepsze wyniki leczenia pacjentów z zaburzeniami psychicznymi.

Podsumowanie

Przedstawione badanie opisuje innowacyjny sensor elektrochemiczny do wykrywania sertraliny (SRT), oparty na polimeryzacji błękitu metylenowego na elektrodzie z węgla szklistego. W porównaniu do tradycyjnych metod analitycznych, takich jak HPLC czy GC-MS, opracowana technika oferuje szereg istotnych zalet: mniejsze wymagania dotyczące przygotowania próbek, redukcję odpadów oraz możliwość szybkiej i ekonomicznej analizy. Sensor wykazuje wysoką czułość z granicą wykrywalności 0,286 µM i zakresem liniowym 0,5-30 µM, przy doskonałej precyzji (RSD < 2%). Skuteczność metody potwierdzono w analizie preparatów farmaceutycznych i próbek osocza, uzyskując wysokie współczynniki odzysku (99-101%). Dodatkowo, metoda spełnia kryteria zielonej chemii analitycznej, co potwierdzają wysokie wskaźniki w ocenach AGREE i Complex MoGAPI. Te cechy czynią sensor obiecującym narzędziem do monitorowania terapii lekami przeciwdepresyjnymi w praktyce klinicznej.