Therapeutic drug monitoring (TDM) is an essential clinical practice for optimizing drug dosing, thereby preventing adverse effects of drugs with a narrow therapeutic window, slow clearance, or high interperson pharmacokinetic variability. Monitoring methotrexate (MTX) during high-dose MTX (HD-MTX) therapy is necessary to avoid potentially fatal side effects caused by delayed elimination. Despite the efficacy of HD-MTX treatment, its clinical application in resource-limited settings is constrained due to the relatively high cost and time of analysis with conventional analysis methods. In this work, we developed (i) an electrochemically assisted surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) method for detecting MTX in human serum at a clinically relevant concentration range and (ii) a benchtop, Raman detection system with an integrated potentiostat, software, and data analysis unit that enables mapping of small areas of SERS substrates and quantitative SERS-based analysis. In the assay, by promoting electrostatic attraction between gold-coated nanopillar SERS substrates and MTX molecules in aqueous samples, a detection limit of 0.13 μM with a linear range of 0.43–2 μM was achieved in PBS. The implemented sample cleanup through gel filtration proved to be highly effective, resulting in a similar detection limit (0.55 μM) and linear range (1.81–5 μM) for both PBS and serum. The developed and optimized assay could also be used on the in-house built, Raman device. We showed that MTX detection can be carried out in less than 30 min with the Raman device, paving the way toward the TDM of MTX at the point-of-need and in resource-limited environments.

中文翻译：

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在台式定制拉曼光谱仪上使用电化学辅助 SERS 检测临床相关水平的血清中的甲氨蝶呤

治疗药物监测 (TDM) 是优化药物剂量的基本临床实践，从而防止治疗窗窄、清除缓慢或人际药代动力学变异性高的药物产生不良反应。在大剂量 MTX (HD-MTX) 治疗期间监测甲氨蝶呤 (MTX) 是必要的，以避免延迟消除引起的潜在致命副作用。尽管 HD-MTX 治疗有效，但由于使用传统分析方法进行分析的成本和时间相对较高，其在资源有限环境中的临床应用受到限制。在这项工作中，我们开发了 (i) 一种电化学辅助表面增强拉曼光谱 (SERS) 方法，用于在临床相关浓度范围内检测人血清中的 MTX，以及 (ii) 具有集成恒电位仪的台式拉曼检测系统，软件和数据分析单元，可以绘制 SERS 基板的小区域和基于 SERS 的定量分析。在测定中，通过促进镀金纳米柱 SERS 基底与水性样品中的 MTX 分子之间的静电引力，在 PBS 中实现了 0.13 μM 的检测限和 0.43–2 μM 的线性范围。通过凝胶过滤实施的样品净化被证明是非常有效的，导致 PBS 和血清的检测限 (0.55 μM) 和线性范围 (1.81–5 μM) 相似。开发和优化的检测也可用于内部构建的拉曼设备。我们表明，使用拉曼设备可以在不到 30 分钟的时间内完成 MTX 检测，为在需要时和资源有限的环境中实现 MTX 的 TDM 铺平了道路。和数据分析单元，能够绘制 SERS 基板的小区域和基于 SERS 的定量分析。在测定中，通过促进镀金纳米柱 SERS 基底与水性样品中的 MTX 分子之间的静电引力，在 PBS 中实现了 0.13 μM 的检测限和 0.43–2 μM 的线性范围。通过凝胶过滤实施的样品净化被证明是非常有效的，导致 PBS 和血清的检测限 (0.55 μM) 和线性范围 (1.81–5 μM) 相似。开发和优化的检测也可用于内部构建的拉曼设备。我们表明，使用拉曼设备可以在不到 30 分钟的时间内完成 MTX 检测，为在需要时和资源有限的环境中实现 MTX 的 TDM 铺平了道路。和数据分析单元，能够绘制 SERS 基板的小区域和基于 SERS 的定量分析。在测定中，通过促进镀金纳米柱 SERS 基底与水性样品中的 MTX 分子之间的静电引力，在 PBS 中实现了 0.13 μM 的检测限和 0.43–2 μM 的线性范围。通过凝胶过滤实施的样品净化被证明是非常有效的，导致 PBS 和血清的检测限 (0.55 μM) 和线性范围 (1.81–5 μM) 相似。开发和优化的检测也可用于内部构建的拉曼设备。我们表明，使用拉曼设备可以在不到 30 分钟的时间内完成 MTX 检测，为在需要时和资源有限的环境中实现 MTX 的 TDM 铺平了道路。