ポピリピロールでコーティングされたマイクロニードルプラットフォームによる間質液中のインターフェロンアルファのオフライン電気化学的検出
Ana Carola Delavia Reis1, Ana Cristina Honorato de Castro-Kochi1,2, Jose Eduardo Ulloa Rojas1
1Center for Natural and Human Sciences, Federal University of ABC, Santo André, São Paulo 09210-580, Brazil.
Insights
間質液中のインターフェロンアルファ(IFN-α)を検出するための新しいマイクロニードルバイオセンサーを開発しました。この最小侵襲デバイスは、ポイントオブケア診断における免疫応答のモニタリングのための有望なツールを提供します。
科学分野:
- 生物医学工学
- バイオセンサー技術
- 免疫学
背景:
- インターフェロンアルファ(IFN-α)のようなサイトカインのモニタリングは、ウイルス感染および免疫療法における免疫状態の評価に不可欠です。
- 現在のサイトカイン検出方法は、侵襲的であるか、または複雑な実験装置を必要とする場合があります。
- リアルタイムの免疫モニタリングのための、最小侵襲性でポイントオブケアの診断ツールの必要性が存在します。
研究 の 目的:
- 間質液(ISF)中のIFN-αのラベルフリー、オフライン検出のためのマイクロニードルベースの電気化学バイオセンサーを開発および特性評価すること。
- ポリカプロラクトン(PCL)マイクロニードル上のポピリピロール(PPy)コーティング濃度の違いを評価することにより、バイオセンサーの性能を最適化すること。
- 診断への応用の可能性について、バイオセンサーの感度、特異性、および生体適合性を評価すること。
主な方法:
- 3Dプリントモールドと熱圧縮を用いたPCLマイクロニードルの作製。
- 導電性と生体分子の固定化を強化するために、さまざまな濃度のポピリピロール(PPy)でマイクロニードルをコーティング。
- 電気化学インピーダンス分光法やサイクリックボルタンメトリーなどの技術を用いたマイクロニードル表面特性(粗さ、多孔性)および電気化学的性能の特性評価。
- IFN-α検出限界、線形性、選択性、および細胞毒性の評価。
主要な成果:
- 最適化されたPPy濃度(50 mmol·L⁻¹)は、機械的完全性を維持しながら、理想的な表面特性(29.7%の多孔性)と電気化学的面積をもたらしました。
- バイオセンサーは、8.6 pg/mLの検出限界と1000 pg/mLまでの線形範囲で、高感度かつ特異的なIFN-α検出を示しました。
- 選択性と細胞毒性アッセイは、バイオセンサーの堅牢な性能と生物学的応用への安全性を確認しました。
結論:
- 開発されたPPyコーティングマイクロニードルバイオセンサーは、ISF中のIFN-α検出のための最小侵襲性でラベルフリーのプラットフォームを提供します。
- この技術は、ポイントオブケア診断設定における費用効果が高く、スケーラブルで便利なサイトカインモニタリングに大きな可能性を秘めています。
- 本研究は、個別化医療と迅速診断の進歩のためのマイクロニードルアレイの有用性を強調しています。
Abstract:
Monitoring cytokines, such as interferon-alpha (IFN-α), is essential for assessing immune responses during viral infections and in immunotherapies. Here, we report the development of a microneedle-based electrochemical biosensor for detecting IFN-α in interstitial fluid (ISF), which combines minimally invasive sampling with label-free, offline analysis. The device comprises polycaprolactone (PCL) microneedles fabricated via 3D-printed molds and thermocompression, coated with polypyrrole (PPy) to enable conductivity and biomolecule immobilization. A range of PPy concentrations (10-200 mmol·L-1) was evaluated to optimize performance. Structural and physicochemical analyses revealed that intermediate PPy content (50 mmol·L-1) ensured optimal surface roughness, porosity (29.7%), and electroactive area, while preserving mechanical integrity and biocompatibility. Electrochemical impedance spectroscopy and cyclic voltammetry demonstrated a sensitive and specific response to IFN-α, with a limit of detection of 8.6 pg/mL and a linear range of up to 1000 pg/mL. Selectivity studies in gelatin matrices and cytotoxicity assays confirmed the robust performance and safety of the system. The biosensor operates via skin insertion, immunocapture, and analyte quantification after removal, enabling offline detection without complex instrumentation. These results demonstrate the potential of PPy-coated microneedles as cost-effective, scalable, and minimally invasive platforms for cytokine monitoring in point-of-care diagnostics.
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