Levodopa (LD), Parkinson hastalığının tedavisinde dopamin eksikliğini telafi etmek amacıyla kullanılan temel ilaçlardan biridir. Bu çalışmada levodopayı seçici biçimde algılamak için üç bileşenli bir elektrokimyasal sensör mimarisi geliştirilmiştir: moleküler baskılı PEDOT tanıma katmanı, CuNi-MOF nanosheet array elektrokatalitik tabakası ve yüksek iletkenlikli üç boyutlu grafen köpük. Araştırmacılar fonksiyonel monomer seçimini yalnız deneysel deneme-yanılmayla yapmak yerine yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamalarıyla desteklemiş; EDOT'un levodopayla ANI ve Py'den daha uygun etkileşim gösterdiğini belirlemiştir. Deney ve hesaplama sonuçlarının birlikte değerlendirilmesi sonucunda optimum LD:EDOT oranı 1:4 olarak seçilmiştir.

Geliştirilen moleküler baskılı elektrot 0-60 µM levodopa aralığında doğrusal elektrokimyasal yanıt vermiş, alan-normalize duyarlılığı 2,676 µA·µM⁻¹·cm⁻² ve tespit sınırı 0,026 µM olarak bildirilmiştir. Aynı elektrotla beş tekrarlı ölçümde RSD %2,06, beş bağımsız elektrot arasında RSD %1,56 bulunmuş; 15 günlük depolama sonunda sinyalin yaklaşık %96,8'i korunmuştur. 100 kat seyreltilmiş insan serumunda standard addition yöntemiyle yapılan deneylerde geri kazanım %98,5-102,6 arasında gerçekleşmiştir. Bununla birlikte bu sonuçlar klinik hasta izlem doğrulaması değil, analitik laboratuvar düzeyinde serum matriksi denemesidir.

Levodopanın ölçülmesi neden önemli?

Levodopa, kan-beyin bariyerini geçerek merkezi sinir sisteminde dopamine dönüştürülebilen bir öncü moleküldür ve Parkinson hastalığı tedavisinin temel farmakolojik araçlarından biridir.

İlaç düzeyinin yetersiz olması semptom kontrolünü azaltabilirken, aşırı veya uygunsuz farmakokinetik dalgalanmalar motor komplikasyonlarla ilişkili olabilir. Bu nedenle levodopanın hızlı ve güvenilir biçimde ölçülmesi terapötik ilaç izleme ve farmakokinetik araştırmalar açısından önem taşımaktadır.

Neden Klasik Analiz Yerine Elektrokimyasal Sensör Kullanılıyor?

Levodopa ölçümünde yüksek performanslı sıvı kromatografisi gibi yöntemler yüksek doğruluk sağlayabilir ancak pahalı cihaz, daha uzun analiz süresi ve uzman personel gerektirir.

Elektrokimyasal sensörler ise:

• küçük cihazlarla çalışabilme,
• hızlı sinyal üretme,
• düşük maliyet,
• yüksek duyarlılık,
• taşınabilir sistemlere uyarlanabilme

potansiyeli nedeniyle alternatif bir yaklaşım sunmaktadır.

Asıl zorluk, biyolojik örneklerde levodopaya benzeyen elektroaktif moleküllerin aynı anda bulunmasıdır. Bu nedenle yüksek duyarlılığın yanında yüksek moleküler seçicilik de gereklidir.

Moleküler Baskılı Polimer Nedir?

Moleküler baskılama, hedef molekülün polimer oluşumu sırasında geçici şablon olarak kullanıldığı bir tanıma yöntemidir.

Bu çalışmada levodopa, PEDOT oluşumu sırasında EDOT monomerleriyle birlikte elektropolimerize edilmiştir. Polimerizasyon tamamlandıktan sonra levodopa molekülleri NaOH ile yapıdan çıkarılmıştır.

Levodopa çıkarıldığında PEDOT tabakasında:

• molekülün şekline,
• fonksiyonel gruplarının yerleşimine,
• etkileşim bölgelerine

uygun boşluklar kalmaktadır.

Yeni bir levodopa molekülü elektrot yüzeyine geldiğinde bu boşluklara tercihli olarak yeniden bağlanabilir.

PEDOT neden tercih edildi?

Çalışmada üç iletken polimer monomeri teorik olarak değerlendirilmiştir:

• EDOT
• ANI
• Py

Molecular Electrostatic Potential haritaları, HOMO-LUMO enerji farkları ve bağlanma enerjileri birlikte incelenmiştir.

EDOT levodopayla daha uygun bağlanma bölgeleri ve güçlü etkileşim göstermiştir.

DFT Hesaplamaları EDOT'u Nasıl Seçti?

Levodopa ile farklı monomerlerin oluşturduğu komplekslerin bağlanma enerjisi:

\[ \Delta E = E_{complex} - E_{template} - E_{monomer} \]

ifadesiyle hesaplanmıştır.

LD + EDOT için incelenen konfigürasyonlardan en kararlı olanlardan biri yaklaşık:

−43,205 kJ/mol

bağlanma enerjisi göstermiştir.

Bu sonuç EDOT'un levodopa ile kararlı bir moleküler baskı ön-kompleksi oluşturabileceğini desteklemiştir.

LD:EDOT oranı neden 1:4?

Araştırmacılar şu oranları hesaplamalı ve deneysel olarak değerlendirmiştir:

• 1:1
• 1:2
• 1:3
• 1:4
• 1:5

DFT hesaplarında monomer sayısı arttıkça mutlak bağlanma enerjisi genel olarak yükselmiştir. 1:5 sistemi en yüksek toplam bağlanma enerjisini göstermesine rağmen 1:4'e göre ilave hidrojen bağı avantajı sağlamamıştır.

Elektrokimyasal deneylerde ise 1:4 oranındaki moleküler baskılı elektrot:

• en yüksek CV akımı,
• en küçük charge-transfer resistance,
• en iyi genel sensör yanıtı

göstermiştir.

Bu nedenle nihai sensör için LD:EDOT = 1:4 seçilmiştir.

CuNi-MOF Nanosheet Arrays Ne İşe Yarıyor?

Metal-organik kafesler, metal merkezleri ile organik ligandların üç boyutlu koordinasyon yapıları oluşturduğu gözenekli malzemelerdir.

Bu çalışmada Cu ve Ni birlikte kullanılmıştır.

Yazarların yaklaşımına göre Cu-Ni çift metal sistemi:

• daha fazla redoks aktif merkez,
• metal-metal elektronik etkileşim,
• daha iyi arayüz elektron transferi,
• yüksek elektrokatalitik aktivite

sağlayabilir.

Neden nanosheet array?

MOF'un düz nanoplakalar halinde doğrudan 3B grafen köpük üzerine büyütülmesi, toz haldeki materyale göre iki önemli avantaj sağlar.

Birincisi, açık ve erişilebilir aktif yüzey alanı artar.

İkincisi, nanosheet yapıların doğrudan iletken taşıyıcı üzerinde büyümesi parçacıklar arası temas direncini azaltabilir.

SEM görüntülerinde CuNi-MOF nanosheet array'lerin 3D GF yüzeyini homojen biçimde kapladığı ve açık gözenekli yapı oluşturduğu görülmektedir.

3B Grafen Köpük Neden Kullanıldı?

3B graphene foam, birbirine bağlı iletken grafen ağlarından oluşan gözenekli bir taşıyıcıdır.

Çalışmadaki yaklaşık gözenek çapı:

~100 µm

seviyesindedir.

3D GF'nin temel görevi:

• yüksek elektriksel iletkenlik sağlamak,
• CuNi-MOF nanosheet'ler için mekanik iskelet oluşturmak,
• elektronların elektrot boyunca hızlı taşınmasını kolaylaştırmak

olarak tanımlanmaktadır.

3B grafen köpük nasıl üretildi?

Grafen köpük, Ni foam şablon üzerinde chemical vapor deposition yöntemiyle oluşturulmuştur.

Ardından Ni şablon uzaklaştırılmış, grafen köpük oksidatif işleme tabi tutulmuş ve CuNi-MOF büyümesine uygun yüzey hazırlanmıştır.

CuNi-MOF nasıl büyütüldü?

Oksitlenmiş 3D GF:

• 2 mM CuCl₂·2H₂O,
• 2 mM NiCl₂·6H₂O,
• 4 mM tereftalik asit

içeren çözeltiye yerleştirilmiştir.

Hidrotermal reaksiyon:

125 °C, 12 saat

koşullarında gerçekleştirilmiştir.

Freeze-drying sonrasında CuNi-MOF NSAs/3D GF yapı ITO cam üzerine aktarılmıştır.

Moleküler Baskılı PEDOT Katmanı Nasıl Oluşturuldu?

Levodopa ve EDOT, PBS içinde 1:4 molar oranında karıştırılmıştır.

Çalışma elektrodu CuNi-MOF NSAs/3D GF, referans elektrot Ag/AgCl ve karşı elektrot Pt tel olarak kullanılmıştır.

Elektropolimerizasyon:

• potansiyel aralığı: −0,2 ile 0,6 V
• tarama hızı: 50 mV/s
• çevrim sayısı: 45

koşullarında gerçekleştirilmiştir.

Daha sonra elektrot 0,1 M NaOH çözeltisinde 35 dakika tutulmuş ve levodopa şablonları yapıdan çıkarılmıştır.

Böylece levodopa için moleküler tanıma boşlukları oluşturulmuştur.

NaOH ve 35 Dakika Neden Seçildi?

Şablon levodopanın polimer içinden yeterli miktarda çıkarılması sensör seçiciliği açısından kritik önem taşır.

Çalışmada farklı elüsyon süreleri karşılaştırılmış ve elektrokimyasal sinyal yaklaşık 35 dakika sonrasında plato seviyesine ulaşmıştır.

Farklı elüentler arasında NaOH en yüksek akım değişimini sağlamıştır.

Bu nedenle 0,1 M NaOH ve 35 dakika nihai koşul olarak seçilmiştir.

pH etkisi

Levodopanın elektrokatalitik oksidasyon sinyali pH'a güçlü biçimde bağlı bulunmuştur.

pH 4-10 arasında yapılan deneylerde en yüksek oksidasyon pik akımı:

pH = 7

koşulunda elde edilmiştir.

Levodopa elektrot üzerinde nasıl oksitleniyor?

Levodopa elektrokimyasal ölçüm sırasında iki elektron kaybederek dopaquinone oluşturur.

Bu oksidasyon reaksiyonu sırasında oluşan akım levodopa konsantrasyonunun ölçülmesinde kullanılır.

Levodopa İçin Ölçüm Aralığı Nedir?

DPV deneylerinde:

0, 1, 5, 10, 20, 40 ve 60 µM

levodopa konsantrasyonları test edilmiştir.

Pik akımı konsantrasyonla güçlü doğrusal ilişki göstermiştir:

\[ I_{LD} = 12.949 + 1.0C_{LD} \]

ve:

R² = 0,9985

olarak bildirilmiştir.

Sensörün Duyarlılığı ve Tespit Sınırı Nedir?

Yaklaşık 0,38 cm² elektrot alanı dikkate alınarak alan-normalize duyarlılık:

2,676 µA·µM⁻¹·cm⁻²

olarak hesaplanmıştır.

Tespit sınırı:

0,026 µM

olarak bildirilmiştir.

Kaynak Tablo 1'de aynı sensör için 1,026 değerinin yer alması farklı bir hesaplama biçiminden kaynaklanmaktadır: bu sayı AA ve UA varlığındaki kalibrasyon eğrisinin yaklaşık akım/konsantrasyon eğimidir ve alan-normalize 2,676 değeriyle aynı birimi ve tanımı temsil etmez.

Askorbik Asit ve Ürik Asit Ölçümü Bozdu mu?

Levodopa elektrokimyasında askorbik asit (AA) ve ürik asit (UA) önemli interferans kaynaklarıdır.

Çalışmada:

• AA yaklaşık −0,05 V,
• LD yaklaşık 0,15 V,
• UA yaklaşık 0,26 V

civarında ayrı oksidasyon pikleri göstermiştir.

30 µM AA ve UA varlığında levodopa sinyali ayırt edilebilmiş ve LD konsantrasyonu ile akım arasındaki doğrusal ilişki korunmuştur.

Ayrıca çeşitli ortak biyomolekül ve iyonlar levodopanın on katı konsantrasyonda verilmesine rağmen sensörün LD tanıma kapasitesinin korunduğu raporlanmıştır.

DFT'ye Göre Levodopa Elektrot Yüzeyine Nasıl Bağlanıyor?

Levodopanın PEDOT/CuNi-MOF yüzeyine hesaplanan adsorpsiyon enerjisi:

−7,64 eV

olarak verilmiştir.

Negatif adsorpsiyon enerjisi, model içinde adsorpsiyonun enerji açısından elverişli olduğunu göstermektedir.

Diferansiyel yük yoğunluğu analizinde elektron yoğunluğu yeniden dağılımı gözlenmiş ve yazarlar elektron aktarımını genel olarak:

PEDOT → LD → CuNi-MOF

yönünde yorumlamıştır.

Bu hesaplamalar olası arayüz elektronik etkileşimini desteklemektedir; doğrudan zaman çözünürlüklü elektron transfer ölçümü değildir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Sensör üretim zinciri

Üç malzemenin görev paylaşımı

Elektrokimyasal aktif alan

Moleküler baskılı elektrodun elektrokimyasal aktif yüzey alanı:

1,84 cm²

olarak hesaplanmıştır.

Bu değer fiziksel geometrik elektrot alanından farklıdır ve yüzey topolojisi ile elektrokimyasal erişilebilir alanı temsil eder.

Charge-transfer resistance

1:4 LD/EDOT oranındaki moleküler baskılı elektrot için bildirilen minimum charge-transfer resistance:

Rct = 3,5 Ω

olmuştur.

Düşük Rct değeri, arayüz boyunca elektron transferinin kolaylaştığını göstermektedir.

Tekrarlanabilirlik

Aynı elektrot 60 µM levodopa çözeltisinde arka arkaya beş kez test edilmiştir.

Oksidasyon pikleri arasında:

RSD = %2,06

elde edilmiştir.

Üretim tekrarlanabilirliği

Aynı koşullarda bağımsız hazırlanan beş elektrot 60 µM LD ile test edilmiş ve:

RSD = %1,56

bulunmuştur.

Bu sonuç farklı üretim partilerindeki elektrotların birbirine yakın yanıt verdiğini göstermektedir.

15 günlük kararlılık

Elektrot 15 gün boyunca her üç günde bir 60 µM LD ile test edilmiştir.

Akım yanıtındaki toplam azalma yalnız yaklaşık:

%3,18

olmuştur.

Böylece 15 gün sonunda başlangıç sinyalinin yaklaşık %96,8'i korunmuştur.

İnsan Serumunda Test Edildi mi?

Evet, ancak klinik numune analizi açısından önemli bir sınırlama vardır.

İnsan serumu:

0,1 M PBS ile 100 kat seyreltilmiştir.

Ardından standard addition yöntemiyle:

sonuçları elde edilmiştir.

Bu Sonuç Sensörün Klinik Kullanıma Hazır Olduğu Anlamına Gelir mi?

Hayır.

Çalışmanın serum deneyi analitik uygulanabilirliği göstermektedir; ancak:

• serum 100 kat seyreltilmiştir,
• levodopa standard addition yöntemiyle eklenmiştir,
• Parkinson hastalarından eş zamanlı gerçek ilaç düzeyi karşılaştırması yapılmamıştır,
• referans LC-MS/HPLC yöntemiyle klinik method-comparison analizi verilmemiştir,
• farmakokinetik zaman serisi izlenmemiştir.

Bu nedenle çalışma “klinik kullanım potansiyeli” göstermektedir; doğrudan klinik tanı veya terapötik ilaç izleme validasyonu değildir.

Çalışmanın doğrudan desteklediği sonuçlar

• DFT, EDOT'un levodopa için uygun fonksiyonel monomerlerden biri olduğunu desteklemektedir.
• LD:EDOT = 1:4 oranı deneysel elektrokimyasal performans açısından optimum bulunmuştur.
• CuNi-MOF nanosheet array'ler 3D GF üzerinde başarılı biçimde büyütülmüştür.
• Moleküler baskılı PEDOT tabakası levodopa seçiciliğini artırmaktadır.
• Sensör 0-60 µM aralığında doğrusal levodopa yanıtı vermektedir.
• Tespit sınırı 0,026 µM olarak raporlanmıştır.
• AA ve UA varlığında LD piki ayrıştırılabilmiştir.
• Aynı elektrotla tekrar ölçümlerde düşük RSD elde edilmiştir.
• 15 günlük testte sinyal büyük ölçüde korunmuştur.
• Seyreltilmiş serumda %98,5-102,6 recovery elde edilmiştir.

Çalışmanın doğrudan desteklemediği sonuçlar

• Sensörün Parkinson hastalarında terapötik ilaç izleminde klinik olarak doğrulandığı söylenemez.
• 100 kat seyreltilmemiş serumda aynı performansın korunacağı gösterilmemiştir.
• Uzun dönem aylar veya yıllar ölçeğinde sensör stabilitesi gösterilmemiştir.
• DFT adsorpsiyon enerjisi tek başına gerçek biyolojik matrikste bağlanma sabitini kanıtlamaz.
• Elektron transfer yolu doğrudan zaman çözünürlüklü fiziksel ölçümle doğrulanmamıştır.
• Alan-normalize duyarlılık değeri ile Tablo 1'deki eğim değeri aynı fiziksel ölçüt olarak değerlendirilmemelidir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün çalışma: Molecularly Imprinted PEDOT/CuNi-MOFs Nanosheet Arrays/3D Graphene Foam for Highly Selective and Sensitive Electrochemical Detection of Levodopa.

Yazarlar: Haopeng Zhang, Shuo Huang, Huaze Sun, Haiyang Li ve Hongyan Yue.

Sorumlu yazar: Hongyan Yue.

Kurumlar: School of Materials Science and Chemical Engineering, Harbin University of Science and Technology; Department of Neurology, The First Affiliated Hospital of Harbin Medical University.

Yayın durumu: SSRN preprint; hakem değerlendirmesinden geçmemiştir.

SSRN: 6889860.

Temel sensör yapısı: Molecularly imprinted PEDOT / CuNi-MOF nanosheet arrays / 3D graphene foam.

Temel üretim yöntemi: CVD ile 3D GF, 125 °C'de hidrotermal CuNi-MOF büyütme ve CV ile PEDOT elektropolimerizasyonu.

Optimum imprint oranı: LD:EDOT = 1:4.

Şablon çıkarımı: 0,1 M NaOH, 35 dakika.

Doğrusal aralık: 0-60 µM.

Alan-normalize duyarlılık: 2,676 µA·µM⁻¹·cm⁻².

LOD: 0,026 µM.

Serum recovery: %98,5-102,6; serum 100 kat PBS ile seyreltilmiştir.

Ana karakterizasyon: SEM, TEM, EDS, XRD, Raman, FTIR, XPS, CV, EIS, DPV ve DFT.

DFT yazılımları: Gaussian 16W ve Materials Studio 2019 CASTEP.

Finansman: Natural Science Foundation of Heilongjiang Province, Grant No. PL2025H078.

Çıkar çatışması: Yazarlar bilinen finansal veya kişisel çıkar çatışması olmadığını beyan etmiştir.

Temel sınırlılıklar: Çalışma preprinttir. Serum deneyleri 100 kat seyreltilmiş matrikste yapılmıştır. Klinik hasta kohortu ve referans laboratuvar yöntemiyle method-comparison çalışması yoktur. DFT sonuçları teorik adsorpsiyon ve etkileşim modelidir. Uzun dönem stabilite yalnız 15 gün boyunca incelenmiştir.