ブプレノルフィン検出用の 3D プリントされたカーボンコーティングされたマイクロニードルアレイセンサー

出典: MF PuSL High Precision

近年、薬物乱用の現象がますます顕著になっており、我が国の公衆衛生の安全と社会秩序に深刻な課題をもたらしています。特に、オピオイドは鎮痛治療の分野で広く使用されているものの、その過剰使用の問題は無視できず、毎年数千人の死者を出し、人々の健康と社会の調和と安定に深刻な影響を及ぼしています。中でも、ブプレノルフィンは合成オピオイドとして、薬物依存症の治療や疼痛管理に広く使用されてきました。しかし、その使用には、依存や過剰摂取の潜在的な危険性など、特定のリスクが必然的に伴い、呼吸抑制や、重篤な場合には死に至ることもあります。このような状況を踏まえると、薬物依存の予防や過剰摂取の低減には、新たなブプレノルフィン濃度検出技術の開発が極めて重要であり、特に医薬品の研究開発や臨床応用の分野では重要な課題となっています。

最近、ノースカロライナ州立大学、ノースカロライナ大学、カリフォルニア大学サンフランシスコ校、インドのラブリー国際大学の研究チームが、機械学習と組み合わせた3Dプリント導電性マイクロニードル電気化学センサーを共同で開発し、効率的かつ経済的にブプレノルフィンの正確な検出を実現することを目指しています。このセンサーは人工腸液中で高い感度と選択性を示し、検出限界 0.129 μM で 2 ～ 140 μM の範囲のブプレノルフィンを検出しました。その中で、チームはMofangの精密表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）3Dプリント技術と空気噴霧プロセスを使用して、導電性マイクロニードルの迅速かつ大規模な生産を実現しました。さらに、ユーザーエクスペリエンスを向上させるために、チームは実験データを使用して機械学習モデルをトレーニングし、ブプレノルフィンのレベルをリアルタイムで表示する Web アプリケーションを開発しました。

関連する研究結果は、「カーボンコーティングされた3Dプリントマイクロニードルアレイを使用したブプレノルフィンの最小侵襲的検出」というタイトルで国際誌Microchimica Actaに掲載されました。

研究チームは、BMF社のBIO（生体適合性）樹脂を印刷材料として選択し、nanoArch® S130（精度：2μm）3D印刷装置を使用してマイクロニードルアレイを作製することに成功しました。その後、印刷されたマイクロニードルアレイに導電性を与えるために、研究チームは一連の繊細な操作を行いました。まず、カーボンインクを均質化し、3Dプリントされたマイクロニードルアレイ上に正確にコーティングしました。次に、マイクロニードルアレイを一定の気流の中に置き、表面に対して 90 度の角度を保ち、一定の距離で 5 秒間維持して、導電性インクがアレイ表面を均一に覆うようにしました。コーティング後、マイクロニードルアレイを標準硬化ボックスに入れ、100°C で 10 分間硬化させました。導電性マイクロニードルアレイが電気化学研究に使用される前に、研究チームは、非感知領域での電気的接触を防ぐために、シリコンを使用して電極の相互接続を密封およびシールドしていました。

図 1. 機械学習によるブプレノルフィンの検出の概略図。 a) カーボンコーティングされた 3D プリントマイクロニードルアレイ電極の段階的な準備プロセス。b) カーボンコーティング前 (黄色) と後 (黒色) の 3D プリントマイクロニードルアレイの写真。c) 皮膚層に挿入され、ワイヤレスセンサーに接続されたカーボンコーティングマイクロニードルアレイの概略図。d) 機械学習モデルによる追加分析後のブプレノルフィンレベルのコンピューター表示。
図2. 超鋭利マイクロニードルアレイ構造の概略図。 a と d) 印刷された導電性マイクロニードルアレイ (黄色) とカーボンコーティングされた導電性マイクロニードルアレイ (黒色) のマクロ画像。b と c) さまざまな角度と倍率で撮影した 3D プリントされたマイクロニードルアレイの光学顕微鏡画像。e と f) さまざまな角度と倍率で撮影したカーボンコーティングされた導電性 3D プリントされたマイクロニードルアレイの光学顕微鏡画像。

その後、開発された導電性マイクロニードルアレイが経皮センシングアプリケーションに適していることを確認するために、研究チームはマイクロニードルアレイ表面のカーボンコーティングに対して媒体漏れテストを実施し、選択された媒体が実際の生体液環境をシミュレートしました。具体的な操作は次のようになります。図3dに示すように、乾燥したカーボンコーティングされたマイクロニードルアレイ3つを、異なるpH値（それぞれ2、6、11）の3つの溶液に入れ、試験管に48時間浸します。 48時間浸漬した後、マイクロニードルアレイを取り出して光学顕微鏡で観察しました。光学顕微鏡による画像化の結果、カーボンコーティングの構造は変化せず、コーティング内のカーボンインクの漏れも見られなかったことから、カーボンコーティングされたマイクロニードルアレイは、さまざまなpH値の実際の生体液中で安定して動作し、生体分子の経皮センシングに適していることが確認されました。

マイクロニードルの皮膚貫通能力は、経皮センシングアプリケーションにおけるマイクロニードル技術ベースのデバイスの実用性を評価する際に重要な考慮事項です。そこで、本研究では、人間の皮膚の特性をシミュレートした豚の皮膚モデル上で、印刷されたマイクロニードルアレイの皮膚浸透性能をテストしました。光学画像化の結果は、マイクロニードルアレイが皮膚を貫通する際に局所的な外傷を引き起こすだけで、周囲の皮膚組織に損傷を与えないことを明確に示しました。これらのテスト結果は、マイクロニードルアレイが周囲の皮膚の完全性を維持しながら効果的に皮膚に浸透する能力を備えていることを十分に実証しています。これに基づいて、マイクロニードルアレイは経皮センシングプラットフォームの製造基盤として機能する可能性があると推測できます。

図 3. カーボンコーティングの微細構造を示す走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像。 SEM 画像は、a) コーティングされていない単一のマイクロニードルの表面、b) カーボンコーティングされた単一のマイクロニードルの表面、c) カーボンコーティングされた単一のマイクロニードルの表面の拡大 SEM 画像 (2 つの異なる相 (黄色の矢印でマーク) を示しており、3D プリントされたマイクロニードルにカーボンコーティングが存在することを示しています)、d) さまざまな媒体 (実際の体液に類似) でのマイクロニードルアレイのカーボンコーティング漏れテストのマクロ写真図、e) マイクロニードルアレイの穿刺とトリパンブルー処理後の豚の皮膚のマクロ画像、f) マイクロニードルアレイの穿刺とトリパンブルー処理後の豚の皮膚の光学顕微鏡画像を示しています。
導電性マイクロニードルアレイの機械的強度と皮膚浸透能力を詳細に研究した後、この研究ではさらに、電極の安定性、酸化還元挙動、およびセンシングプラットフォームの電気化学的特性の包括的なテストを実施し、矩形波ボルタンメトリー技術を使用して、ブプレノルフィン分析における導電性マイクロニードルアレイ電極の性能を評価しました。図 4c に示すように、ブプレノルフィンのさまざまな濃度で方形波ボルタンメトリースペクトルを記録しました。周波数は 10 Hz に設定され、電圧と振幅のステップサイズはそれぞれ 0.01 V と 0.1 V に設定されました。図 4c からわかるように、ブプレノルフィン濃度の増加に伴い、ピーク電流も安定した上昇傾向を示しました。さらに、図4dは酸化電流ピークとブプレノルフィン濃度の間の較正曲線を示しています。この研究では、較正曲線の傾きから、マイクロニードルアレイベースのブプレノルフィン検知プラットフォームの感度を計算しました。結果は、ブプレノルフィンの検出が許容範囲内であることを示しており、ブプレノルフィンセンサーの開発に十分なデータサポートを提供しています。

図 4. カーボンコーティングされたマイクロニードルアレイ電極の電極安定性、スキャン速度、および電気化学特性の概略図。 a) フェリシアン化カリウム溶液 (3 mM) で 50 mV/s の一定スキャン速度で収集されたサイクリックボルタンメトリースペクトル (5 スキャン)。b) スキャン速度を 20 ～ 100 mV/s に変化させた場合のスキャン速度研究応答。c) 新鮮な PBS 溶液 (0.1 M、pH 7.4) 中のブプレノルフィン濃度の増加に対する炭素コーティングされたマイクロニードルアレイ電極の矩形波ボルタンメトリースペクトル。d) 酸化電流ピークとブプレノルフィンのさまざまなレベル間の対応する較正曲線。
マイクロニードルアレイベースのブプレノルフィン検知システムは優れた検知性能を示しましたが、ブプレノルフィンに対するセンサーの選択性もセンサーのリアルタイムの可能性を評価する上で重要な要素です。この目的のために、研究チームは、ブプレノルフィンの測定に影響を及ぼす可能性のある物質（シクロデキストリン、アスコルビン酸、カフェイン、アセトアミノフェン、尿酸、テオフィリン）について詳細な調査を実施しました。この研究は、これらの妨害物質の存在下で方形波ボルタンメトリースペクトルデータを記録することによって評価されました。多数の実験データに基づいて、マイクロニードルアレイブプレノルフィンセンシングシステムは、高い選択性、優れた反復性と再現性、安定した時間応答特性を備えていることが確認できます。このシステムは、生体組織液中のマイクロモルレベルのブプレノルフィンを効率的かつ簡便に検出することができ、センサーの実用化に向けた確固たる科学的根拠を提供します。

図 5. アスコルビン酸、尿酸、アセトアミノフェン、テオフィリン、カフェイン、ブプレノルフィンなどの潜在的な薬理学的干渉化合物に対する作製されたマイクロニードルアレイ電極の矩形波ボルタンメトリースペクトル。
図 6. シミュレートされた皮膚層を使用した時間的安定性と概念実証を示す概略図。 a) 製造されたマイクロニードルアレイ電極の長期安定性、b) 模擬皮膚層を通過する人工間質液中のブプレノルフィン濃度の増加に対する炭素コーティングされたマイクロニードルアレイ電極の矩形波ボルタンメトリースペクトル、c) 酸化電流とブプレノルフィン濃度間の対応する較正曲線。
さらに、センシングプラットフォームがエンドユーザーに便利なブプレノルフィン迅速検出サービスを提供できるようにするため、研究チームは機械学習アルゴリズムに基づくモデルを構築し、それに基づいて間質液中のブプレノルフィンの濃度レベルを直感的に表示するWebアプリケーションを開発しました。このプロセスでは、実験的に取得された感覚データが単変量線形回帰モデルに入力され、ブプレノルフィンの濃度が予測されました。開発されたモデルは、最良の回帰線を決定し、最小二乗コスト関数を最適化することによって最適な係数値を計算しました。この機械学習モデルと付随する Web アプリケーションを簡単に適用して、マイクロモルレベルでブプレノルフィンの濃度を迅速に測定し、検出効率を大幅に向上させることができます。

図 7. 機械学習によるブプレノルフィンの検出と、Web アプリケーション経由で表示されるブプレノルフィンレベルの数値検証。 a) 開発された機械学習モデルによって得られた最適な直線を示す線形曲線。b) Web アプリケーションのフロントエンドページのスクリーンショット。 c、d、e、f) 対応する現在の値を入力した後に計算されたブプレノルフィンレベルを示す Web アプリケーションページのスクリーンショット。
要約:
研究チームは、3Dプリント技術をベースにしたカーボンコーティングされたマイクロニードルアレイ電気化学センシングプラットフォームの開発に成功しました。このプラットフォームは、機械学習技術の助けを借りて、間質液中のブプレノルフィン濃度をマイクロモルレベルで簡単かつ迅速に測定できます。マイクロニードルアレイセンシングプラットフォームは、導電性マイクロニードル表面の迅速かつ大規模な生産を実現するために、積層造形技術とエアスプレープロセスを使用して製造されました。構築されたワイヤレスポイントオブケアシステムは、優れた感度、非常に低い検出限界を示し、潜在的な薬理学的干渉化合物が存在する場合でもブプレノルフィンに対する許容可能な選択性を維持しました。さらに、確立された線形回帰モデルはブプレノルフィン濃度の検出において良好なパフォーマンスを示し、Web アプリケーションベースのユーザーインターフェイスを通じて数値の直感的な表示が実現され、ブプレノルフィンの迅速でシンプルかつユーザーフレンドリーな測定をサポートしました。さらに、この研究結果は、他のバイオセンシングプラットフォームの製造のための潜在的な戦略と、間質液中の他の生物学的分子の検出にかかるコストを削減し、効率を高める新しい方法も提供します。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1007/s00604-024-06754-x

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