Біосенсори: використання в медицині

Аспірант кафедри лабораторної діагностики

НаУКМА Максим Прилуцький

Біосенсор – прилад, що може реєструвати біологічні процеси (біохімічну реакцію, зміну маси молекули, зміну довжини хвилі світла, реакцію антиген-антитіло)

й перетворювати їх на електричний сигнал, який обробляється приладом.

Співучий біосенсор Задовго до

винайдення біосенсорів шахтарі використовували канарок

для попередження про витік газу.

Історія розвитку біосенсорики 1922р. Перший скляний рН біосенсор

1956р. Кларк опублікував свою роботу з розробки біосенсора з визначення рівня кисню.

1962р. Кларк уперше описав амперометричний ферментний біосенсор для вимірювання глюкози

1969р. Гілболт і Монтальво - Перший потенціометричний біосенсор: уреаза іммобілізована на біосенсорі з аміаком для визначення сечовини

1975 Лубберс і Опітц описали волоконно-оптичний біосенсор з іммобілізованим індикатором для вимірювання вуглекислого газу або кисню

Історія розвитку біосенсорики 1975р. Розроблено перші комерційні біосенсори з

визначення глюкози 1975р. Перший біосенсор на основі мікроорганізмів

1980р. Перший in vivo волоконно-оптичний сенсор рН для аналізу газів крові.

1982р. Перший волоконно-оптичний біосенсор для

визначення глюкози

1983р. Перший біосенсор на основі поверхневого плазмонного резонансу

1992 р. Портативний біосенсор визначення глюкози

2000р -…. Наноточки, наночастинки, нанотрубки і т.ін.

Першим заклав основи “сучасної” біосенсорики американський біохімік Лейланд Кларк, розробивши перший амперометричний біосенсор для вимірювання кисню (1956р.), а також перший біосенсор для вимірювання глюкози (1962р).

Загальна схема роботи біосенсора

-Ферменти-Антитіла-ДНК-Клітини-Тканини-Рецептори

-Оптичний-Електрохімічний-Фізичний Сигнал

Зразок для аналізу

(аналіт)

Біоселективнамембрана

Перетворювач сигналу

Реєстрація сигналу

Типи біосенсорів Амперометричні П’єзоелектричні Потенціометричні Акустичні Магнітні Калориметричні Оптичні

Переваги використання біосенсорів

Специфічність;

Чутливість

Швидкість проведення аналізу

Безпечність у використанні

Точність

Компактність

Доступність для масового виробництва

Галузі застосування біосенсорів

Застосування в медицині Прикладом біосенсора, який широко

використовується, є прилад для визначення вмісту глюкози в крові

хворих на діабет

Глюкозооксидаза Фермент, що найчастіше використовується як

реагент у глюкометричних біосенсорах Синтезується деякими видами грибів і комах Окислює глюкозу до глюконової кислоти. При цьому

утворюється пероксид водню Утворена енергія є джерелом для реєстрації сигналу

Тривимірна модель глюкозооксидази

Біосенсори на основі мікроорганізмів

Одним із видів біосенсорів є біосенсори на основі мікроорганізмів

Так, наприклад, для визначення рівня глюкози в розчині використовували бактерії Pseudomonas fluorescens, які окислювали глюкозу за допомогою ферменту глюкозооксидази, споживаючи кисень і виділяючи пероксид водню

Pseudomonas fluorescens

ДНК-біочіпи

Нанобіосенсори Біосенсори на основі карбонових нанотрубок

Біосенсори на основі наночастинок

Біосенсори на основіквантових точок

Біосенсори на основі поверхневого плазмонного резонансу

ППР – це збудження електронних частинок (плазмонів) за рахунок світла. Вимірює зміни кута заломлення світла на шарі золота Дозволяє проводити аналіз без

використання міток і в реальному часі

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 50 100 150 200 250 300

Традиційні методи аналізу

ELISA: фермент-опосередкований біосенсорний аналіз

ІФА – Імунофлуоресцентний аналіз

(1) Мічення потребує багато часу і може впливати на взаємодію молекул

(2) Складнощі в дослідженні кінетики процесу

(3) Складнощі при роботі

з низькомолекулярними сполуками

Можливості застосування оптичного біосенсора на основі ППР

Дослідження кінетики метаболізму лікарських засобів

Визначення концентрації речовин Скринінг та ізотипування антитіл Контроль концентрації метаболітів у крові (глюкози, лактату)

ПотікПотік

ДисоціаціяДисоціаціяЗвЗв’’язуванняязування

Досягнення рівновагиДосягнення рівноваги

Механізм реєстрації сигналуКомірка

Мультипараметричні ППР біосенсориОдноканальний біосенсор на основі ППР Багатоканальний ППР

Дозволяє виміряти багато зразків за один запуск

Одноканальний біосенсор «Плазмон-5» Інститут Фізики Напівпровідників, Україна

Багатоканальний біосенсор “Biacore”Pharmacia Biosensor AB, Швеція

Оптоволоконні біосенсори Оптоволоконні біосенсори

можуть використовуватися для аналізу в умовах, коли об’єкт аналізу віддалений від дослідника

Дозволяють вести безперервний моніторинг

Працюють у широкому діапазоні хвиль

Нанотрубки Нанотрубки - трубчасті наноутворення

вуглецю діаметр від 0,4 до 500 нм, а довжина від 1 мкм до декількох десятків мікрометрів утворюються при розкладанні

вуглецевмісних газів на каталітично активних поверхнях металів 300–1500 °С

можуть набувати найрізноманітніших форм дуже міцні, володіють електропровідністю

та здатністю до адсорбції

Біосенсори на основі нанотрубок

Наносенсори на основі КНТ можуть детектувати ділянки ДНК, що відповідальні за розвиток хвороби на генному рівні.

Через малі розміри може бути введений через шкіру і використаний, наприклад, для вимірювання рівня глюкози в крові

Доставка ліків з допомогою нанотрубок

Нанотрубка може проникати через мембрану

Клітина не сприймає нанотрубку як чужорідний агент

Використання меншої кількості лікарського препарату

Локальність дії

Атоми йоду, вставлені в карбонову нанотрубку

Наночастинки Тверді частинки, що мають розмір менше 100 нм. велика площа поверхні транспорт молекул локальність дії специфічність взаємодії з біологічними структурами

СЕМ - зображення наночастинок срібла (а), золота (б)

Біосенсори на основі наночастинок золота у діагностиці раку

Використання кон’югатів наночастинок золота зі специфічними антитілами до рецепторів ракових клітин

Нетоксичні для здорових клітин

Потенційний агент у якості біосенсора Зображення наночастинок золота

на поверхні ракових клітин

Наночастинки у фототермолізі

Наночастинки золота здатні поглинати світло, виділяючи теплову енергію

Транспорт наночастинок у ракові клітини і їх обробка лазерним випромінюванням призводить до загибелі ракових клітин

Наночастинки золота після потрапляння всередину ракових клітин

Ракові клітини після обробки лазерним випромінюванням

Квантові точки Квантова точка -

напівпровідниковий кристалнанометрового розміру (15-20 нм) покритий тонкимшаром іншого напівпровідника(сульфідом цинку)

володіють здатністю до люмінесценції

Біосенсори на основі квантових точок

Розмір квантової точкивизначає довжину хвилі її люмінесценції.

Для збудження люмінесценції достатньо використовувати або лазер на одній довжині хвилі, або просту лампу білого кольору

Зображення поперечного розрізу нирки миші отримане з допомогою люмінісцентного мікроскопа

Дякую за увагу!