Ein Forschungsteam an der University of Pittsburgh unter der Leitung von Alexander Star, einem Chemieprofessor an der Kenneth P. Dietrich School of Arts and Sciences, hat einen Fentanylsensor entwickelt, der sechs Größenordnungen empfindlicher ist als jeder elektrochemische Sensor für das Medikament, über den berichtet wird die letzten fünf Jahre. Der tragbare Sensor kann auch den Unterschied zwischen Fentanyl und anderen Opioiden erkennen.
Ihre Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Klein.
Fentanyl ist ein synthetisches Opioid und eine der Hauptursachen für Todesfälle durch Überdosierung in den Vereinigten Staaten, sagte Star. Es wird oft mit anderen Medikamenten gemischt, ist aber aufgrund seiner Wirksamkeit oft in so geringen Mengen vorhanden, dass es schwer zu erkennen sein kann.
Der Sensor von Star verwendet Kohlenstoffnanoröhren und Goldnanopartikel, um Fentanyl von anderen Opioiden zu unterscheiden. Der Schlüssel zu seiner bahnbrechenden Empfindlichkeit ist jedoch der Einbau von Fentanyl-Antikörpern. „Wir nutzen sozusagen die Erfindung der Natur“, sagte Star. „So können wir diese extrem niedrigen Nachweiswerte erreichen.“
Der Sensor ist eine modifizierte Version eines COVID-19-Sensors, der von Stars Forschungsgruppe im Jahr 2020 entwickelt wurde. Der COVID-Sensor selbst ist eine Adaption eines THC-Atemtests – ähnlich einem Alkoholtester, aber für Marihuana –, den er 2019 entwickelt hat.
Das Herzstück jedes dieser Sensoren ist ein Chip, auf dem Kohlenstoffnanoröhren angebracht sind. Jede Röhre ist wie ein winziger Draht, der 100.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar ist und Strom effektiv leitet. An den Nanoröhren sind Goldnanopartikel befestigt, die jeweils etwa 43 Nanometer groß sind.
In der Praxis banden Fentanylmoleküle an die Nanopartikel und lösten einen Strom aus, der durch die Nanoröhren floss. Verschiedene Substanzen erzeugten unterschiedliche Strömungen; Durch maschinelles Lernen konnte der Sensor ein Fentanylmolekül identifizieren. Auch bei der Unterscheidung von Fentanyl von anderen Opioiden lag die Erfolgsquote bei 91 %, was hilfreich ist, wenn man feststellen möchte, ob ein anderes Medikament mit Fentanyl verunreinigt ist.
Um das beispiellose Maß an Empfindlichkeit zu erreichen, ließen sich Star und sein Team vom COVID-Sensor inspirieren, fügten Fentanyl-Antikörper ein und befestigten sie an den Nanopartikeln. Fentanylmoleküle würden sich fest an alle Antikörper binden, auf die sie stoßen, und so den Stromfluss von den Antikörpern in die Nanoröhren verändern und so das Vorhandensein des Arzneimittels signalisieren.
Das Ergebnis war ein Sensor, der empfindlicher ist als jeder elektrochemische Fentanylsensor, über den in den letzten fünf Jahren berichtet wurde. Die Sensoren von Star detektierten Fentanyl im femtomolaren Maßstab. Das sind 10-15 Mol pro Liter. Der nächstgelegene Sensor kann im nanomolaren Maßstab erkennen, also 10-9 Mol pro Liter.
„Die Natur hat diese selektiven Rezeptoren entwickelt“, sagte Star. „Wir haben sie auf unserer Plattform, den Kohlenstoffnanoröhren, adaptiert.“
Ein weiterer Vorteil des Star-Sensors ist neben seiner Empfindlichkeit seine Tragbarkeit. Um solch geringe Mengen Fentanyl nachzuweisen, ist heute ein Massenspektrometer erforderlich – keine besonders mobile Technologie. Der Sensor von Star ist klein genug, um in der Hand gehalten zu werden, und kostengünstig genug, um praktisch zu sein.
Er geht davon aus, dass diese Technik in Zukunft zur Entwicklung eines Sensorarrays genutzt werden soll, das viele Arten von Medikamenten erkennen kann.
Mehr Informationen:
Wenting Shao et al., Diskriminierung durch maschinelles Lernen und hochempfindliche Erkennung von Fentanyl unter Verwendung von mit Goldnanopartikeln dekorierten Feldeffekttransistorsensoren auf Kohlenstoffnanoröhrenbasis, Klein (2024). DOI: 10.1002/small.202311835