纳米分子印迹聚合物传感器实时监测左旋多巴药代动力学推动帕金森病精准治疗

《Nature Communications》：A nanoMIP sensor for real-time in vivo monitoring of levodopa pharmacokinetics in precision Parkinson’s therapy

本研究针对帕金森病治疗中左旋多巴(L-Dopa)治疗窗狭窄、缺乏实时监测手段的难题，开发了一种基于纺锤形碳纳米管纤维功能化纳米分子印迹聚合物(nanoMIP)的植入式传感器系统。研究人员通过构建CNT-core/nanoMIP-shell核壳纳米结构，实现了对组织间液(ISF)中L-Dopa的高灵敏、高选择性检测，并具备抗生物污染和化学污染能力。在帕金森病(PD)大鼠模型中的验证表明，该系统能够完整捕获L-Dopa药代动力学(PK)特征，揭示ISF与血浆中L-Dopa浓度的时序相关性，为个性化PD药物治疗提供了重要技术支撑。

　　

帕金森病作为全球第二大神经退行性疾病，正影响着超过800万人的生活质量。这种疾病的主要病理特征是中脑黑质多巴胺能神经元的不可逆丧失，导致神经递质多巴胺的严重缺乏。自1960年代被发现以来，左旋多巴(L-Dopa)一直是帕金森病治疗的"金标准"药物，它能够通过血脑屏障并代谢为多巴胺，帮助患者恢复大脑中的多巴胺水平，改善大多数运动功能。

然而，长期L-Dopa治疗面临严峻挑战。由于L-Dopa的半衰期短、治疗窗狭窄，患者常常出现严重的运动并发症，如运动障碍和"关期"发作。传统的治疗药物监测通常采用高效液相色谱法(HPLC)或液相色谱-质谱联用(LC-MS)分析血浆样本，但这些方法需要复杂的仪器、专业的操作人员，且无法实现连续动态监测。虽然电化学传感技术的发展为健康相关生物标志物的连续监测提供了可能，但现有的L-Dopa传感器大多局限于即时检测，依赖血液或汗液样本，需要间歇性采样。植入式传感器虽然具有实时、连续监测的潜力，但其实际应用仍受到目标分析物浓度低、生物污染和L-Dopa自聚合引起的电极钝化等问题的限制。

针对这些挑战，浙江大学生物医学工程与仪器科学学院生物传感器国家专业实验室的周越、梁波团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究。他们开发了一种用于实时体内监测L-Dopa药代动力学的纳米分子印迹聚合物(nanoMIP)纤维传感器系统，为解决帕金森病精准治疗中的关键难题提供了新的技术途径。

关键技术方法

研究团队通过三个关键技术步骤构建了这一创新传感系统：首先采用电化学扩增法制备纺锤形碳纳米管纤维(SSCNTF)作为电极基底，通过循环伏安法在单个碳纳米管上共电聚合吡咯、间苯二酚和L-Dopa模板分子形成纳米分子印迹聚合物壳层；其次开发了基于STM32F412RET6微控制器和AD5941模拟前端的柔性差分脉冲伏安法(DPV)检测电路，实现无线数据传输；最后在斯普拉格-道利(Sprague-Dawley)大鼠模型中进行体内验证，通过高效液相色谱法(HPLC)对比分析，建立ISF与血浆中L-Dopa浓度的药代动力学相关性模型。

纳米MIP纤维电极的制备与表征

研究团队首先通过电化学扩增碳纳米管纤维(CNTF)制备了纺锤形碳纳米管纤维(SSCNTF)，这种特殊结构提供了更大的电化学活性表面积和丰富的网络孔隙，有利于质量扩散和分子印迹聚合物(MIP)沉积。纳米MIP层的制备采用循环伏安法(CV)在-0.2 V至+0.8 V电位范围内进行电化学聚合，功能单体吡咯和间苯二酚与L-Dopa模板分子共同沉积在碳纳米管表面。

通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征显示，MIP纤维呈现出密集的核壳纳米结构网络，每个结构包含单个碳纳米管核心和环绕的聚合物壳层。模板分子提取过程引起了核壳纳米结构的显著形态变化，MIP壳层厚度减少了约20纳米，而非印迹聚合物(NIP)仅出现轻微变化。X射线光电子能谱(XPS)分析证实了PPy的特征性氮信号出现，且MIP壳层比NIP含有更高的氧含量，这归因于L-Dopa模板分子的掺入。

植入式纳米MIP纤维传感器的体外评估

在体外评估中，纳米MIP纤维传感器在PBS中对L-Dopa浓度(0.5-100μM)的检测表现出优异的性能。在人体生理浓度范围(0-30μM)内，传感器显示出0.5μM的检测限和6.45μA·μM^-1的超高灵敏度。选择性测试表明，传感器对葡萄糖、尿素、乳酸、肌酐、皮质醇、抗坏血酸(AA)、尿酸、卡比多巴(C-Dopa)和对乙酰氨基酚等潜在生物干扰物均表现出良好的抗干扰能力。

化学污染抵抗性是实现长期L-Dopa监测的关键挑战。研究发现，在连续50次DPV扫描中，纳米MIP纤维传感器保持了99%的初始电流响应，而未修饰的SSCNTF电极仅保持26%。这种优异的抗污染性能归因于纳米MIP壳层结构有效缓解了氧化副产物的自聚合和吸附，通过空间限制的L-Dopa分子在印迹空腔内的氧化，抑制了后续聚合反应的发生。

L-Dopa传感器用于PK监测的体内验证

在体内验证实验中，研究人员将纳米MIP纤维传感器皮下植入健康大鼠背部，实时监测腹腔注射L-Dopa后ISF中药物浓度的变化。在0.06 mg·g^-1和0.12 mg·g^-1两个剂量下，传感器均能实时响应L-Dopa给药，显示出相似的动力学特征。同时，通过眼后静脉丛采集血样，采用HPLC进行L-Dopa浓度定量，验证了传感器输出的准确性。

研究发现ISF中的L-Dopa动力学相对于血液表现出延迟(平均延迟约13.5分钟)和衰减(平均保留约14%)的特征。两种测量方法在两种给药实验中均显示出强烈的正相关性，皮尔逊相关系数r在0.95-0.96之间。这些结果证实了纳米MIP纤维传感器作为药代动力学研究工具的可行性。

基于自适应给药方案的PK优化

研究人员进一步探索了不同L-Dopa给药方案下的药代动力学特征。间歇给药实验表明，增加给药频率可以减少L-Dopa波动，延长稳定药物水平。四剂量间歇方案比两剂量方案显示出更窄的浓度分布和更低的平均浓度(0.31 mg·L^-1 vs 0.62 mg·L^-1)，表明高频低剂量给药可以降低PK波动。

连续输注实验通过注射泵以四种速率(超高速4μg·g^-1·s^-1、高速4μg·g^-1·min^-1、中速2μg·g^-1·min^-1和低速1μg·g^-1·min^-1)进行腹腔输注。结果显示，输注速率显著影响关键PK参数，AUC和T_max随输注速率降低而增加，而C_max与输注速率呈负相关。中低速输注显著降低了L-Dopa水平变异性，波动系数(CV)和波动程度(DF)平均降低了55.9%和68.0%。

研究结论与意义

这项研究开发的纳米MIP纤维传感器通过合理的核壳纳米结构设计，实现了对目标L-Dopa的特异性和灵敏检测，同时具备抗生物污染和化学污染能力，从而实现了皮下ISF中完整PK周期的连续准确监测。化学污染抵抗性对于纵向准确监测至关重要，而这一关键现象在以往的L-Dopa传感器研究中并未得到充分重视。

该研究通过将传感器输出与L-Dopa定量的金标准HPLC进行比较，验证了纳米MIP纤维传感器的准确性。体内实验验证了ISF和血液中L-Dopa水平之间的强相关性，并揭示了两个区室之间12-15分钟的滞后时间，这一延迟与先前报道的血浆L-Dopa水平与帕金森病患者运动症状表现之间的10分钟延迟密切匹配，表明了ISF监测的药效学相关性。

最重要的是，这项研究揭示了在帕金森病大鼠模型中，L-Dopa表现出延迟吸收和加速消除的药代动力学特征，强调了个性化L-Dopa治疗的必要性。通过实时PK监测系统探索的各种L-Dopa给药方案表明，增加间歇给药频率可以减少L-Dopa波动，而连续输注允许通过调整输注速率精细控制C_max和治疗持续时间。

这项研究为结合实时PK监测与自适应药物递送系统进一步实施L-Dopa治疗的闭环策略提供了可行性基础。除了帕金森病，这种传感系统还可能应用于L-Dopa也用于探测多巴胺能功能的神经学和精神病学研究领域。总体而言，L-Dopa传感系统为体内治疗药物监测提供了基础，并实现了个性化、反馈驱动的药物治疗，有望提高治疗精度和生活质量。