Development of molecularly imprinted electrochemical sensor for selective and sensitive determination of antiviral drugs acyclovir, fosamprenavir, and lopinavir
Asiklovir fosamprenavir ve lopinavir antiviral ilaç etken maddelerinin seçici ve hassas tayini için moleküler baskılı elektrokimyasal sensör geliştirilmesi
- Tez No: 966795
- Danışmanlar: PROF. DR. AYŞEGÜL GÖLCÜ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 146
Özet
Virüsler, insanlarda ve diğer çeşitli organizmalarda ciddi hastalıklara neden olan birincil patojenik ajanları temsil eder. Bu patojenik ajanlardan bazıları, hem viral enfeksiyonları önlemeyi hem de tedavi etmeyi amaçlayan antiviral ilaçların geliştirilmesine yol açmışlardır. Bu antiviral ajanlar, viral replikasyon döngüsünü farklı aşamalarda kesintiye uğratarak enfeksiyona müdahale etme işlevi görürler. Günümüzde, antiviral tedaviler sınırlı sayıda enfeksiyon için mevcuttur ve öncelikli olarak semptomları hafifletmeye, bulaşmayı engellemeyi ve hastalığın süresini kısaltmaya odaklanırlar. Terapötik ilaç takibi (TDM), antiviral tedavilerin klinik etkinliğini artırmada temel bir yaklaşım haline gelmiştir; zira birçok çalışma, ilaç etkinliği ile biyolojik sıvılardaki konsantrasyonları arasında önemli bir ilişki olduğunu ortaya koymuştur. Günümüzde standart tedavi kılavuzları, hastalardan alınan örneklerde antiviral ilaç düzeylerinin ölçülmesi yoluyla TDM'nin uygulanmasını ve bu sayede dozajların en uygun tedavi sonuçlarını elde edecek şekilde düzenlenmesini giderek daha fazla önermektedir. Bununla birlikte, antiviral ilaçların yaygın kullanımı çevresel sorunları da gündeme getirmektedir. Bu maddeler yalnızca hanehalkında kullanılan farmasötik ve kişisel bakım ürünleri yoluyla değil, aynı zamanda ilaç endüstrisi ve sağlık kuruluşlarından kaynaklanan deşarjlar aracılığıyla da atık su sistemlerine girmektedir. Uygulamanın ardından antiviral ilaçlar sıklıkla yalnızca kısmen metabolize edilmekte veya farmakolojik olarak aktif metabolitler halinde idrar ve dışkıyla vücuttan atılmakta, ardından da kanalizasyon arıtma tesislerine ulaşmaktadır. Geleneksel atık su arıtma yöntemleri çoğu zaman bu maddeleri tamamen ortadan kaldıramamakta, bu da onların sucul ekosistemlere salınmasına yol açmaktadır. Antiviral ilaçların küresel ölçekte kullanımındaki artışla birlikte, çevresel yüklerinin de önemli ölçüde artması beklenmektedir. Bu durum, antiviral maddelerin doğal ortamlarda kalıcılığı nedeniyle hedef dışı organizmaların biyolojik işlevlerini bozma ve daha geniş çevresel bozulmalara yol açma potansiyeli taşıyan ekolojik tehditler ortaya çıkarmaktadır. Dolayısıyla, antiviral ilaçları dozaj formlarından veya biyolojik örneklerden analiz etmek için hızlı, doğru ve güvenilir yöntemlerin geliştirilmesi hayati önem taşımaktadır. Elektroanalitik teknikler bu amaçla sıklıkla kullanılmakta olup, elektrokimyasal yöntemler seçicilik, duyarlılık, tutarlılık, maliyet etkinliği, basit örnek hazırlama ve ön analiz gereksiniminin olmaması gibi belirgin avantajları nedeni ile analitik yaklaşımlar arasında önemli bir konuma sahiptir. Bu sebeple elektroanalitik teknikler bu amaçla sıklıkla kullanılmaktadır. Bu doktora araştırmasında, antiviral ilaçlardan asiklovir (ACV), lopinavir (LPV) ve fosamprenavir'in (FPV) spesifik ve ultra hassas tespitini sağlamak için moleküler olarak baskılanmış polimerler (MIP'ler) kullanan sensörler oluşturuldu. Bu sensörlerin elektrokimyasal özellikleri ve yüzey karakteristikleri, döngüsel voltametri (CV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) dahil olmak üzere çeşitli teknikler kullanılarak değerlendirildi. Fotopolimerizasyon (PP) tekniği aracılığı ile fonksiyonel monomer olarak akrilamid (AM) kullanılarak ACV'nin tespiti için yeni bir MIP tabanlı elektrokimyasal sensör oluşturuldu. AM-ACV@MIP/GCE sensörünün analitik yeteneklerini değerlendirmek için diferansiyel puls voltametrisi (DPV) kullanıldı. Sensör, 1×10-11 ile 1×10-10 M aralığında, hem farmasötik dozaj formlarından hem de ticari serum örnekleri için doğrusal bir çalışma aralığı gösterdi. Sensör, sırasıyla 7.15 × 10−13 M ve 2.38 × 10−12 M olan tespit limiti (LOD) ve tayin limiti (LOQ) ile kanıtlanmış ve çok düşük konsantrasyonlarda ACV tespit edilmiştir. Ayrıca, sensör benzer yapılara sahip diğer antiviral ilaçlara karşı test edildiğinde dikkate değer bir seçicilik sergilemiştir. LPV'yi tespit etmek içinse, sırasıyla termal polimerizasyon (TP) ve elektropolimerizasyon (EP) yöntemleri ile metakrilik asit (MAA) ve p-aminobenzoik asit (PABA) dahil olmak üzere çeşitli fonksiyonel monomerler kullanılarak MIP tabanlı elektrokimyasal sensörler oluşturuldu. TP-LPV@MIP/GCE ve EP-LPV@MIP/GCE sensörlerinin analitik performansı DPV kullanılarak değerlendirildi. Tablet formülasyonlarında ve serum örneklerinde LPV ölçülürken, hem TP-LPV@MIP/GCE hem de EP-LPV@MIP/GCE sensörleri sırasıyla %99.85 ile %101.16 ve %100.36 ile %100.97 arasında değişen mükemmel geri kazanım değerleri gösterdi. Ayrıca, sensörler girişime karşı duyarlılıkları ve saklama sırasındaki kararlılıkları açısından değerlendirildi. FPV'nin tespiti için, MIP tabanlı elektrokimyasal sensörler, PP'de fonksiyonel bir monomer olarak p-aminofenol (PAP) ve EP tekniğinde PABA kullanılarak FPV'nin tespiti için geliştirildi. En etkili MIP entegre elektrokimyasal sensörlerin yapımının ardından, performans ölçümleri değerlendirildi ve karşılaştırıldı. PP-FPV@MIP/GCE ve EP-FPV@MIP/GCE için doğrusal tespit aralıklarının hem standart etken madde hem de ticari insan serum örneklerinde sırasıyla 1.0-17.5 pM ve 1.0-10.0 pM olduğu bulundu. Standart koşullarda, PP-FPV@MIP/GCE ve EP-FPV@MIP/GCE için LOD sırasıyla 2.84 × 10−13 M ve 2.27 × 10−13 M olarak belirlenirken, serum örneklerinde bu değerler 2.48 × 10−13 M ve 2.38 × 10−13 M olarak değişti. Ek olarak, tüm maddeler için şablonun fonksiyonel monomere olan optimum oranını belirlemek ve aralarındaki etkileşim enerjilerini değerlendirmek için yoğunluk fonksiyonel teorisi (DFT) simülasyonları kullanıldı. Şablon, fonksiyonel monomer ve bunların çeşitli şablon-monomer oranlarında (1:1'den 1:5'e kadar) oluşturdukları kompleksler arasındaki etkileşimleri daha iyi anlamak amacıyla hesaplamalı çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu araştırmalar, komplekslerin kararlılık ve bağlanma özelliklerinin kapsamlı bir şekilde incelenmesine olanak tanıyan DFT kullanılarak yürütülmüştür. Hesaplamalı yöntem kapsamında, en kararlı konformasyonları belirlemek için tam geometri optimizasyonları yapılmış, ardından durağan noktaların doğasını doğrulamak ve sistemlerin termodinamik parametrelerini değerlendirmek amacıyla titreşim frekansı analizleri gerçekleştirilmiştir. Tüm hesaplamalar, moleküler etkileşimlerin karakterizasyonunda hesaplama maliyeti ile doğruluk arasında güvenilir bir denge sağladığı bilinen B3LYP fonksiyoneli ve 6-311G(d,p) baz seti kullanılarak yapılmıştır. Bu tez, antiviral ilaçların analizi için MIP tabanlı elektrokimyasal sensörlerin uygulamasını sunan ilk çalışmadır. Ek olarak, ilk kez farklı moleküler baskılama teknikleri arasında yeni bir karşılaştırma yapmaktadır. Bu moleküler baskı yöntemlerinin kapsamlı bir incelemesi, hem farmasötik hem de biyolojik örneklerde antiviral ilaçları kalitatif/kantitatif olarak değerlendirmek için yürütülmüştür. Bu tez çalışması , önceki çalışmalarda bildirilenlerden daha fazla seçicilik gösteren antiviral ilaç analiz seçeneklerinin geliştirilmesine olanak tanımaktadır.
Özet (Çeviri)
Viruses represent the primary pathogenic agents responsible for causing serious illnesses in humans and various other organisms. Antiviral drugs have been developed to prevent and cure viral infections since they are among the most common pathogens. These antiviral agents function by interrupting the viral replication cycle at different stages, thereby addressing the infection. Currently, antiviral therapies are available for a limited range of infections, primarily focusing on alleviating symptoms, curbing transmission, and reducing the duration of the illness. Therapeutic drug monitoring (TDM) has become an essential approach for enhancing the clinical efficacy of antiviral treatments, as numerous studies have indicated a significant relationship between drug effectiveness and their concentrations in biological fluids. Increasingly, standard treatment guidelines advocate for TDM through the measurement of antiviral drug levels in patient samples, which facilitates dosage modifications to attain optimal therapeutic results. Nevertheless, the widespread application of antiviral medications has raised environmental issues. These substances enter wastewater systems not only through the use of household pharmaceuticals and personal care products but also via discharges from the pharmaceutical sector and healthcare facilities. After administration, antivirals are frequently only partially metabolized or excreted in urine and feces as pharmacologically active metabolites, which then make their way to sewage treatment plants. Traditional wastewater treatment methods often do not completely eliminate these substances, resulting in their release into aquatic ecosystems. With the global increase in the consumption of antiviral drugs, their environmental burden is anticipated to rise significantly. This development presents potential ecological threats, as the persistence of antivirals in natural environments may disrupt the biological functions of non-target organisms and contribute to wider environmental disturbances. Consequently, the advancement of rapid, accurate, and dependable methods for examining biological samples or dose forms of antiviral medications is essential. Electroanalytical techniques have been frequently employed for this purpose, with electrochemical methods holding a significant position among analytical approaches bacuse of their distinctive advantages, including specificity, sensitivity, consistency, cost-effectiveness, straightforward sample preparation, and the absence of a pre-analysis requirement. In the context of my doctoral research, sensors utilizing molecularly imprinted polymers (MIPs) were created to enable the specific and ultrasensitive detection of the antiviral medications acyclovir (ACV), lopinavir (LPV), and fosamprenavir (FPV). In the context of this doctoral research, sensors that utilize MIPs were developed to facilitate the specific and ultrasensitive detection of the antiviral medications acyclovir (ACV), lopinavir (LPV), and fosamprenavir (FPV). The electrochemical properties and surface characteristics of these sensors were assessed through various techniques, including cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), scanning electron microscopy (SEM), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). An innovative electrochemical sensor constructed around MIP was developed to detect ACV, utilizing acrylamide (AM) as the functional monomer through a photopolymerization (PP) technique. To assess the analytical capabilities of the AM-ACV@MIP/GCE sensor, differential pulse voltammetry (DPV) was employed. The sensor demonstrated a linear working range for both pharmaceutical dosage forms and commercial serum samples, spanning from 1×10-11 to 1×10-10 M. The sensor is capable of detecting very low concentrations of ACV, as evidenced by its limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ), which are 7.15 × 10−13 M and 2.38 × 10−12 M, respectively. Furthermore, the sensor exhibited remarkable selectivity when tested against other antiviral drugs with similar structures. To detect LPV, electrochemical sensors based on MIP were created utilizing various functional monomers, including methacrylic acid (MAA) and p-aminobenzoic acid (PABA), through thermal polymerization (TP) and electropolymerization (EP) methods, respectively. The analytical performance of the TP-LPV@MIP/GCE and EP-LPV@MIP/GCE sensors was assessed using DPV. When measuring LPV in tablet formulations and serum samples, both the TP-LPV@MIP/GCE and EP-LPV@MIP/GCE sensors demonstrated excellent recovery rates, ranging from 99.85% to 101.16% and 100.36% to 100.97%, respectively. Furthermore, the sensors were evaluated for their susceptibility to interference and their stability during storage. Electrochemical sensors designed around MIP were created to detect FPV, utilizing p-aminophenol (PAP) as a functional monomer in PP and PABA in the EP technique. Following the construction of the most effective MIP-integrated electrochemical sensors, their performance metrics were assessed and compared. The linear detection ranges for PP-FPV@MIP/GCE and EP-FPV@MIP/GCE were found to be 1.0-17.5 pM and 1.0-10.0 pM, respectively, in both standard and commercial human serum preparations. In standard conditions, the LOD for PP-FPV@MIP/GCE and EP-FPV@MIP/GCE were determined to be 2.84 × 10−13 M and 2.27 × 10−13 M, respectively, while in serum samples, these values were slightly altered to 2.48 × 10−13 M and 2.38 × 10−13 M. Furthermore, density functional theory (DFT) simulations were utilized to determine the ideal ratio of the template to the functional monomer, as well as to assess the interaction energies that exist between them. In this thesis, electrochemical sensors built around MIP are used for the first time to analyze antiviral medications. Furthermore, it offers a novel comparison between distinct molecular imprinting techniques for the first time. A comprehensive examination of these molecular imprinting methods has been undertaken to qualitatively/quantitative assess the presence of antiviral drugs in pharmaceutical and biological samples. This thesis study encourages the development of antiviral drug analysis options that exhibit greater selectivity than those reported in previous studies.
Benzer Tezler
- Development of a molecularly imprinted electrochemical sensor for the selective and sensitive detection of the anti-cancer drug ibrutinib
Antikanser ilaç ibrutinib'in seçici ve hassas tespiti için moleküler baskılı elektrokimyasal sensör geliştirilmesi
TUBA ARIF
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
BiyoteknolojiAnkara ÜniversitesiTemel Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ALTAY ÜNAL
- Seçici paraben tayini için moleküler baskılanmış elektrokimyasal sensörlerin geliştirilmesi
Developing of molecularly imprinted electrochemical sensor for selective paraben detection
BEYHAN BUSE YÜCEBAŞ
- Romatoid artrit tedavisinde kullanılan sülfasalazinin tayini için moleküler baskılı elektrokimyasal sensörün geliştirilmesi
Development of a molecularly imprinted electrochemical sensor for determination of sulfasalazine used in rheumatoid arthritis treatment
AYBÜKE DURGUT
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
KimyaIsparta Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ TUĞBA SARDOHAN KÖSEOĞLU
- Organofosfat türü pestisitlerin tayinine yönelik elektrokimyasal impedans temelli sensör geliştirilmesi
Development of electrochemical impedance-based sensor for the detection of pesticides type organophosphate
ZİHNİ ONUR UYGUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
KimyaÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YUSUF DİLGİN
- Pestisit tayini için moleküler baskılı polimer temelli elektrokromik sensör geliştirilmesi
Advancement of a molecularly imprinted polymer-based electrochromic sensor for pesticide
ESMA MUTLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
KimyaGebze Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DUYGU AKYÜZ ÇUBUKÇU