גילוי אלקטרוכימי סימולטני של אימיפנם ומרופנם באמצעות אלקטרודת פחמן זכוכית ממוחשת במצע גרפין חמצני תלת‑ממדי מוכסף בננו‑חלקיקי Pt–Au דו‑מתכתיים

למה מעקב אחרי אנטיביוטיקות חזקות חשוב

כמה מהאנטיביוטיקות החשובות בבתי חולים, כגון אימיפנם ומרופנם, הן תרופות מצילות חיים המשמשות נגד זיהומים עקשניים. אך הן גם חרב פיפיות: כמות נמוכה מדי בזרם הדם עלולה להשאיר חיידקים בחיים, בעוד שכמות גבוהה מדי עלולה לפגוע במוח, בכבד ובכליות ואף לדלוף לסביבה. מחקר זה מתאר חיישן זול שיכול למדוד במהירות וברגישות גבוהה את שתי התרופות בו‑זמנית במדידות אמיתיות כמו דם, שתן ותרופות, ובכך לסייע לרופאים לכוונן טיפול ולרגולטורים לעקוב אחר זיהום.

דרך חדשה לקריאת אותות כימיים זעירים

החוקרים נועדו לבנות חיישן אלקטרוכימי — התקן שמתרגם מידע כימי לאות חשמלי. במקום להסתמך על מכשירים גדולים ויקרים שדורשים הכנה מסובכת של הדגימה, הם שאפו לאלקטרודה קטנה שאפשר לטבול ישירות בתמיסה המכילה אימיפנם ומרופנם. כאשר מולקולות התרופות נוגעות באלקטרודה ועוברות תגובת חמצון — למעשה מאבדות אלקטרונים — ניתן למדוד את הזרם המתקבל. האתגר הוא לעצב משטח אלקטרודה שמייעל תגובה זו ומפריד בבירור בין האותות של שתי התרופות, גם כשהן בריכוזים נמוכים מאוד.

בניית משטח עזר מזעיר ונָקבובי

כדי לשפר את ביצועי האלקטרודה, הצוות הנדס חומר ננו‑שכבתי. הם התחילו בגרפן חמצני, צורה של פחמן מסודרת בשכבות דקות כאטום. בעיבודו לרשת תלת‑ממדית בסגנון ספוג יצרו משטח נרחב ונקבובי שבו יכולות להתרחש תגובות רבות במקביל. על גבי שלד זה עיגנו חלקיקים זעירים העשויים מתערובת של פלטינה וזהב. ננו‑חלקיקים דו‑מתכתיים אלה פועלים כקטליזטורים זעירים, ומאיצים את העברת האלקטרונים בין התרופות לאלקטרודה. מיקרוסקופיה ולימודי קרני רנטגן אישרו כי חלקיקי המתכת חופו באופן אחיד על מסגרת הגרפן, ויצרו ציפוי יציב ומוליך במיוחד כאשר הונח על בסיס פחמן זכוכיתי.

הפיכת מגע התרופה לפסי שיא חשמליים חדים

לאחר שהאלקטרודה המצופה הוכנה, המחברים בדקו כיצד היא מגיבה לאימיפנם ולמרופנם. בשימוש בוולטמטריה — סריקת מתח והרשמת הזרם — הראו שכל תרופה ייצרה פס חמצון מובחן בפוטנציאל שונה, עם פער ברור ביניהם. הפרדה זו מאפשרת לחיישן להבחין בין שתי התרופות גם כאשר הן נמצאות יחד. המשטח הנקבובי המוכסף במתכת גם הוריד את ההתנגדות לזרימת האלקטרונים והגדיל משמעותית את השטח הפעיל בהשוואה לאלקטרודה לא ממוחה. כתוצאה מכך, האותות החשמליים התחזקו והוגדרו היטב, מה שאיפשר למכשיר לזהות ריכוזי תרופות עד לרמות ננומולריות בטווח רחב באופן מרשים. ניסויים שבהם שונו חומציות התמיסה, טעינת החומר וקצב הסריקה סייעו לקבוע את התנאים שמניבים את התגובה החזקה והמהימנה ביותר.

עובד בחיים האמיתיים, לא רק במעבדה

מעבר לתמיסות מבוקרות, החיישן נבחן על דגימות אמיתיות: סרום אנושי ושתן, וכן טבליות אימיפנם מסחריות והזרקות מרופנם. על‑ידי הוספת כמות ידועה של התרופות לתערובות מורכבות אלה ומדידת עליית האות, הצוות הראה שהשיעורי השחזור נצמדו מאוד ל‑100 אחוז, עם סטיות קטנות בלבד. המכשיר גם נשאר יציב במשך שבועות של אחסון, הניב תוצאות כמעט זהות כאשר יוצר בכמה עותקים, ולא הוטעה בקלות על ידי תרופות אחרות שכיחות או מלחי ממס מומסים. תכונות אלה מרמזות כי החיישן יכול לשמש לבקרת איכות של תרופות ולניטור תנועת התרופות בגוף.

מה המשמעות לחולים ולסביבה

בעשייה פרקטית, המחקר מציע אלקטרודה קומפקטית וזולה היכולה לזהות בו‑זמנית שתי אנטיביוטיקות חשובות של קו‑הקָצָה ברמות נמוכות מאוד. במערכת הבריאות, חיישן כזה יכול לתמוך בניטור תרופתי טיפולי, לסייע לרופאים לכוונן מינונים כך שרמות התרופה יהיו גבוהות דיו כדי להרוג חיידקים אך נמוכות דיו כדי להימנע מתופעות לוואי מזיקות. בתחום הסביבה ובטיחות המזון, אותה פלטפורמה יכולה לסייע במעקב אחר שאריות אנטיביוטיקה במים, במוצרים חקלאיים או בפסולת בית‑חולים. למרות שיידרש פיתוח נוסף לפני שימוש ליד המיטה או בשטח, עבודה זו ממחישה כיצד עיצוב קפדני של ננו‑חומרים יכול להפוך טביעות כימיות עדינות לקריאות חשמליות ברורות שקל למדוד.

ציטוט: Paghaleh, H.J., Jahani, S., Moradalizadeh, M. et al. Simultaneous electrochemical detection of imipenem and meropenem using a Pt–Au bimetallic nanoparticle–decorated 3D graphene oxide modified glassy carbon electrode. Sci Rep 16, 9876 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36658-0

מילות מפתח: חיישן אלקטרוכימי, אימיפנם, מרופנם, חומרי ננו‑גרפן, ניטור אנטיביוטיקה