Biosensor w formie plastra jako metoda wczesnej diagnostyki chorób przyzębia

Naukowcy z Texas A&M University opracowali przylegający do tkanek biosensor w formie plastra do monitorowania zdrowia jamy ustnej w czasie rzeczywistym. Rozwiązanie to może znacząco zmienić sposób postępowania w przypadku chorób przyzębia i innych schorzeń prowadzących do utraty zębów – przesuwając punkt ciężkości z leczenia reaktywnego na profilaktykę i wczesną diagnostykę.

Jak podkreślili badacze z Texas A&M University, rozpoznanie zapalenia przyzębia wymaga obecnie badania stomatologicznego i oceny klinicznej – często ma to miejsce dopiero po wystąpieniu konkretnych symptomów u pacjenta. Nowe urządzenie ma umożliwić wykrywanie stanu zapalnego na poziomie molekularnym, jeszcze zanim pojawią się objawy kliniczne.

Czułość na poziomie femtogramów

Zespół, którym kierował dr Chenglin Wu – ekspert inżynierii lądowej i środowiskowej – zaprojektował wielowarstwowy, elastyczny sensor, zdolny do pracy w wilgotnym środowisku jamy ustnej. Plaster pozostaje stabilnie przytwierdzony do tkanek nawet podczas mówienia czy spożywania posiłków.

Kluczowym elementem urządzenia jest warstwa sensoryczna oparta na innowacyjnym kompozycie grafen-MXene. Jest ona ukierunkowana na wykrywanie czynnika martwicy nowotworów alfa (TNF-α) – jednego z głównych biomarkerów stanu zapalnego. Specjalnie zaprojektowane sondy molekularne wiążą się wyłącznie z docelowym białkiem. Ze względu na przewodzące właściwości warstwy sensorycznej, związanie cząsteczek powoduje mierzalną zmianę ładunku elektrycznego.

Opracowany biosensor osiąga czułość detekcji na poziomie 18,2 fg/mL (femtogramów na mililitr). Tak wysoka czułość oznacza możliwość wykrycia minimalnych stężeń biomarkerów, istotnie wyprzedzając pojawienie się objawów klinicznych. Jednocześnie konstrukcja zewnętrznych warstw poprawia selektywność, ograniczając ryzyko fałszywie dodatnich wyników związanych z obecnością innych cząsteczek.

Dynamiczna adhezja i selektywna przepuszczalność

Istotnym elementem technologii jest hydrożel adhezyjny, opracowany we współpracy z zespołem z Michigan State University. Warstwa ta zapewnia trwałe, ale elastyczne połączenie z tkanką, co ma kluczowe znaczenie dla wiarygodności pomiarów. Ruchy tkanek w jamie ustnej mogą bowiem istotnie wpływać na stabilność sygnału – silniejsza adhezja przekłada się na większą powtarzalność i dokładność odczytów.

W biosensorze zastosowano także hydrożel o selektywnej przepuszczalności, działający jak mikroskopijna siatka filtrująca. Pozwala on na przenikanie wyłącznie cząsteczek o określonej wielkości, a interakcje chemiczne między polimerową siecią a biomarkerami dodatkowo zwiększają wybiórczość systemu. Badania wykazały, że nawet biomolekuły o zbliżonych rozmiarach mogą być skutecznie różnicowane dzięki specyficznym oddziaływaniom z otaczającą je strukturą hydrożelu.

W przyszłości zespół planuje projektowanie hydrożeli dostosowanych do wykrywania różnych biomarkerów, co może otworzyć drogę do monitorowania nie tylko chorób przyzębia, lecz także innych stanów zapalnych i ogólnoustrojowych.

Od badań przedklinicznych do zastosowań klinicznych

Skuteczność koncepcji przetestowano we współpracy z ekspertami z zakresu patogenezy i immunologii. Badania przedkliniczne przeprowadzono na modelu świnki morskiej, której reakcje zapalne w obrębie tkanek jamy ustnej wykazują istotne podobieństwa do ludzkich.

Wykrywanie TNF-α ma szczególne znaczenie kliniczne, ponieważ cytokina ta niemal zawsze uczestniczy w procesach zapalnych towarzyszących infekcjom tkanek miękkich. Celem badań było sprawdzenie, czy możliwe jest szybkie rozpoznanie stanu zapalnego przy użyciu nieinwazyjnego systemu.

Jeżeli technologia zostanie wdrożona do praktyki, może zrewolucjonizować profilaktykę stomatologiczną. Szybkie wykrywanie stanu zapalnego jeszcze przed pojawieniem się objawów klinicznych pozwoliłoby na wcześniejszą interwencję, ograniczenie progresji choroby przyzębia oraz zmniejszenie ryzyka utraty zębów. Naukowcy liczą też, że ze względu na uniwersalność zastosowanych materiałów, biosensor może w przyszłości znaleźć zastosowanie również w innych obszarach medycyny.

Właściwości biosensora opisano w artykule „Tissue-adhesive hydrogel–MXene biosensor for in situ intraoral TNF-α detection” na łamach „Science Advances”.

Źródła: https://engineering.tamu.edu

https://www.science.org

Zaawansowane zapalenie przyzębia to nie tylko ryzyko utraty zębów, ale także konsekwencji systemowych. – Może ono mieć związek np. z chorobami sercowo-naczyniowymi i z cukrzycą. Tych zależności jest bardzo dużo – mówi prof. dr hab. n. med. Bartłomiej Górski, specjalista periodontologii, adiunkt w Zakładzie Chorób Błony Śluzowej i Przyzębia WUM, kierownik kształcenia specjalizacyjnego z periodontologii, autor i współautor ponad 90 publikacji naukowych, członek m.in. European Federation of Periodontology oraz Polskiego Towarzystwa Periodontologicznego.