Реферат - Біосенсори. Використання в медицині

оксид

- дигоксин-іонофор кон’югат
- дигоксинові антитіла Малюнок 5.Іонофорний потенціометричний Малюнок 6. Будова ПТ (З Brooks S. біосенсор ( з Kress–Rogers E. та Terner A.P.F. та Terner A.P.F.“Measurement and у ”Advanses in Immunoassay for Veterinary and Control”) Food Analisis“)
Польовий транзистор (ПТ) - це перетворювач, в якому провідність напівпровідникового матеріалу контролюється електричним полем (Малюнок 6.). В нормі тут наявний лише незначний струм між джерелом та витоком, але зміна напруги відповідної полярності та величини на затворі призводять до виникнення струму між джерелом та витоком. Метал-оксидний напівпровідник ПТ з паладій/паладій оксидним затвором може бути використаний для визначення таких газів як водень, аміак, сірководень. Ці гази розпадаються на затворі з виділенням іонів водню. Біосенсор може базуватися на такому приладі, якщо фермент імобілізований на затворі. Уреаза, наприклад, була використана, щоб виділяти аміак з сечовини. Аміак потім визначався на метал-оксидному напівпровіднику ПТ(12).
Іоноселективний польовий транзистор (ІСПТ) включає іоноселективну мембрану, яка дозволяє прохід тільки одному типу іонів. рН - чутливий ПТ був використаний в поєднанні з ферментами, такими як беталактамаза та глюкозооксидаза, для розпізнавання пеніциліну та глюкози, як і очікувалося(34).
ПТ піддається мініатюризації і зберігає високу чутливість, що робить цей прилад дуже перспективним до використання in vivo(23).
Кондуктометричні біосенсори дуже рідко описуються в деталях. В цих приладах використовують дві пари ідентичних електродів. Мембрана, що містить імобілізований фермент, розташовується між однією парою електродів, коли “чиста” мембрана розташовується між іншою. Якщо є ферментна активність, то спостерігається зміна електричного опору.
ІІ.Оптичні біосенсори.
Оптоволоконні проби та сенсори мають виключну роль в медицині для in vivo та in vitro аналізу(27). Вони виглядають дійсно безпечними та біосумісними для використання всередині людського тіла. M.Goldfinch та C.R.Lowe(15) описали прилад, який може визначати клінічно важливі компоненти, такі як , пеніцилін G, сечовина та глюкоза. Чутливі до змін рН барвники, такі як бромотімол синій та бромокрезол зелений, були імобілізовані у поєднанні з відповідними ферментами на прозорих мембранах, які використовувалися на твердофазних оптоелектронних сенсорах. Ферменти, що використовувалися - це пеніцилаза, уреаза та глюкозоксидаза. Коли мала місце ферментна реакція, спостерігали зміни кольору барвника. Це фіксувалося з використанням світла відповідної довжини хвилі. Цей та інші методи, базовані на рН, страждають від притамонної їм проблеми - буферних властивостей та рН біологічних рідин.
J.C.Schultz, S.Mansoury та I.Goldstein(29) зконструювали оптоволоконний датчик для визначення глюкози, в якому поєднувалося покриття глюкози та флуоресцентноактивного декстрану з білком Конкавалін А. Активний декстран витіснявся глюкозою, датчик був зконструйований таким чином, що декстран дифундував у “поле зору” оптоволокна.(Малюнок 7)
Конкавалін А
оптоволокно Г Д Г Д Г Г Д
флуоресцентне світло Д Д Д ДД Д
збуджуюче світло Д Д Д ДД ДД Д
Д Г Г Д Г Д Г Г

Д- флуоресцентно активний декстран , Г - глюкоза
Малюнок 7. Конкурентний оптичний біосенсор на глюкозу.
Прилад був здатний визначати глюкозу на фізіологічному рівні за час, що не перевищував 10 хвилин.
Світлочутливі діоди та фотодетектори використовуються в поєднанні з волоконною оптикою для визначення поглинання, люмінесценції та флуоресценції біологічних компонентів, що розташовані на кінці оптоволокна. Сигнал є пропорційним кількості біологічного матеріалу, що лімітує чутливість маленького приладу.
Чутливість може бути підвищена , якщо дослідити зміни, які мають місце з боку оптоволокна чи світловоду і підвищити площу поверхні, що придатна для біологічного компоненту біосенсора. Світло передається по світловоду через велику кількість внутрішніх відбивань. При кожному відбитті частина світла (зникаюча хвиля) виходить до оточуючого середовища навколо провідника. Зникаюча хвиля забирає тільки фракцію з хвилі світла на поверхню, а потім знову повертається до провідника. Зміни в оптичних якостях поверхні світловода можуть певним чином вплинути на світло, що проходить по ньому. Зникаюча хвиля відчуває вплив тільки на дуже маленькій дистанції від світловода і тому на неї не впливає оточуюче середовище. Це допомагає подолати деякі проблеми з аналізом непрозорих та забарвлених розчинів, які часто не можливо виміряти в клінічному аналізі, через проблеми зі спектрофотометрією. Імуноглобулін людини (IgG)було виміряно приєднанням антисироватки до поверхні світловода та завдяки його здатності реагувати з антигеном (IgG). Підвищення кількості комплексів антисироватка-антиген викликає зміни в складі світла, що визначається фотодетектором під певним кутом до напрямку світла, що проходить крізь світловод.(33)
Інший чутливий оптичний біосенсор, який був об’єктом досліджень, використовує поверхневий плазмонний резонанс(ППР), ППР - це рух електронів на поверхні металевого провідника, викликаний дією світла певної довжини хвилі підпевним кутом. На дифракційній гратці це має ефект поглинання світлової енергії при певній довжині хвилі, яке залежить від діелектричної константи покриття у контакті з металевою поверхнею. Це викликає появу смуги в спектрі, отриманому з дифракційної гратки. Діелектрична константа залежить не тільки від змін іонного поглинання на поверхні, але і від природи біологічних молекул, що посадженні на поверхню.(19)
ІІІ. Калориметричні біосенсори.
Багато ферментних реакцій є екзотермічними, і теплота, що виділяється протягом реакції, може бути виміряна термістором чи чутливими до температури напівпровідниковими приладами. Більшість ферментних реакцій супроводжується виділенням тепла на рівні 5-100 кДж/ моль та типовою зміною температури, яку на рівні 10-2 оС можна зафіксувати(24). Цей принцип покладений в проточну модель широкого ряду аналізів клінічно важливих речовин ( Таблиця 4).
Таблиця 4. Речовини, що аналізуються ферментним термістором.
Речовина
Імобілізований агент
Межа вимірів, ммоль/л
Аскорбінова кислота
АТР
Холестерол
Ефіри холестерола
Креатинін
Глюкоза
Глюкоза
Лактат
Оксалат
Оксалат
Тригліцериди
Сечовина
Сечова кислота
Альбумін(Аг)
Гентаміцин(Аг)
Інсулін(Аг)
Відповідна оксидаза
Апіраза чи гексокіназа
Відповідна оксидаза
Відповідна естераза та оксидаза
Відновлювальна імуногідролаза
Глюкозоксидаза + каталаза
Гексокіназа
Лактат 2-монооксигеназа
Оксалат оксидаза
Відповідна декарбоксилаза
Ліпопротеінова ліпаза
Уреаза
Уріказа
Імобілізовані антитіла плюс мічений ферментом антиген
0.05-0.6
1-8
0.03-0.15
0.03-0.15
0.01-10
0.02-0.8
0.5-25
0.05-2
0.005-0.5
0.1-3
0.1-5
0.01-500
0.5-4
10
0.1 мг/мл
0.1-1.0 U/мл

Фермент був імобілізований на маленьких часточках у колонці, що сполучається з термістором чи оточує його. Об’єми зразка має бути не менше 10 мл і система має здатність аналізувати до 30 зразків за годину. Визначена чутливість свідчить про можливість клінічного використання цього приладу. Guilbault(16) описує ферментний термістор для розпізнавання алкоголю в крові, в якому алкоголь оксидаза імобілізована на скляних кульках на проточній системі, що контролюється термістором. Система, яка була використана для аналізу алкоголю в крові, може розпізнавати до 0.2 ммоль/л метанолу, етанолу чи бутанолу з лінійністю до 2 ммоль/л . Нажаль, фермент, що був використаний, не розрізняє спирти.
Альтернативне використання термісторних приладів має місце в імуносорбентному аналізі, який має назву- “Термометричний ферментноміточний імуносорбентний аналіз”(TELISA)(20). Колонка заповнена імуносорбентом (антитіло, імобілізоване на Сефарозі CL 4B).Дослідний антиген поглинається, а мічений антиген вивільняється до потоку. При наявності субстрату порція міченого антигену зв’язується і викликає виділення теплоти. Ця система здатна до визначення 10-10 М (5мг/л) сироваточного альбуміну людини і загальний час такого аналізу (враховуючи регенерацію) складає 10 хвилин.
Калориметричні прилади можуть бути мініатюризовані, при використанні інтерферометрії. Ця технологія полягає у зсуву по фазі світла у визначаючому проміні відносно перевіряючого. Оптичне волокно може бути розширене під дією теплоти, що виділяється під час ферментної реакції, і це дає зміну у фазі світла. Система дуже чутлива до маленьких змін температури.
IV.Мікрогравіметричні та акустичні біосенсори.
П’єзоелектричні кристали можуть бути використані як гравіметричні біосенсори в імуноаналізі. Перемінний струм подається крізь п’єзоелектричний матеріал, наприклад, кварцевий кристал, викликаючи певні механічні зміни. На певній частоті коливань виникає механічний чи акустичний резонанс. Частота цього резонансу залежить від маси поверхні кристалу. Кварцевий п’єзоелектричний кристал може бути покритий Ат чи Аг, для аналізу комплементарних Аг чи Ат. Сполучення, що має місце, викликає зміну у масі на поверхні кристалу. Ця зміна у масі визначається зміною у частоті резонансу кристалу.
Sauerbrey наводить таку формулу(36) :
Df/f=–Dm/Apt
де Df/f–зміна у частоті, Dm–зміна у массі(г), А-поверхня, покрита адсорбованим матеріалом, p–густина кварцу(г/см3), t– товщина непокритого кристалу.
Більш детально J.E.Roeder та G.Bastiaans(28) описали використання поверхнево акустичного хвильового приладу в імуноаналізі. Вони виміряли зміну у частоті кварцевого кристалу, коли ще мав місце контакт з розчином антигену. Сенсор був здатний до вимірювання IgG в розведеній сироватці. Одним з недоліків такого аналізу є те, що неможливо вимірювати молекули з низькою молекулярною масою.(26,31)
Розділ третій. Використання біосенсорів в клінічній діагностиці.
Біосенсори - маленькі, акуратні, швидкі та недорогі аналітичні інструменти. Деякі ферментні електроди вже завоювали місце в світовій клінічній практиці як неперевершені аналізітори глюкози та сечовини.
Біологічний компонент дає йому специфічність, але дещо обмежує у стабільності ферментів та оптимальності середовища, що повинні мати місце в ферментних та імунних дослідних системах. Біосенсори завжди економні у використанні біологічного матеріалу.Чутлива ділянка ферментного ПТ складає (0.5мм)і вимагає дуже мало ферменту (2.5*10 IU). Це може допомогти заощадити кошти, коли потрібен дорогий фермент.
Флуктуації температур можуть вносити похибки в деякі вимірювання і ця проблема має бути розвґязана. До того ж, існують певні проблеми з аналізом непрозорих або забарвлених зразків. На данний момент можна виміряти такі розчини тільки за допомогою технології зникаючих хвиль. Але не зважаючи на ці проблеми , більшість перетворювачів використовуються в міцних сенсорних системах та електронному обладнанні, враховуючи специфіку їх обслуговування. Зниження ціни на електронні компоненти повинно стати гарантом виробництва біосенсорів недорогими та у великій кількості. Нажаль більшість біосенсорів перебувають у стані розробки і велика частина можливої інформації є таємною. Небажаним є використання біосенсорів у клінічній практиці, якщо є хоч якісь проблеми з їх обслуговуванням, вони підлягають подальшій розробці.
Але всеж таки біосенсори можуть віднайти наступні ммісця застосування:
-самообстеження пацієнта;
-аналізи, що виконуються в приймальні лікаря;
-in vivo моніторинг
-проведення імуноаналізу швидше ніж звичайно
-незалежне від централізованих лабораторій самообстеження:
-адаптація до зниження фінансування медичних установ.
Провадяться роботи по впровадженню імплантованих біосенсорів. За допомогою таких біосенсорів можна визначати потрібні дози ліків. Ці біосенсори найбільш привабливі до лікування діабету. Вони можуть бути використані в поєднанні з дозаторами інсуліну або простіше, з гіпоглікаемічною контрольною системою(37). Nikkiso Co Ltd, Японія та Gambro, Швеція розробили біосенсорний інструмент, який аналізує кров на видтоці з тіла. Використання імплантованих біосенсорів було перевірено на тваринах та людях(22,30) , і це показало що їх можна використовувати, результати зіставимі з отриманими ex vivo (8). Є певні вимоги до використання імплантованих біосенсорів:
1.Подолання здатності тіла віддаляти будь який інородний матеріал через формування протеінових оболонок.
2. Стерилізація приладу без пошкодження аналітичних властивостей.
3.Стійкість до впливу внутрішніх речовин.
4. Уникання будь якого електричного розряду.
5.Прилад не має викликати будь-якої токсичної відповіді організму
6.Надійність від пошкоджень, що можуть викликати попадання маленьких часточок до кровообігу.
7.Прилад має бути дуже маленьким та зручним, щоб його можна було розташувати в середині людського тіла без будь якого дискомфорту.
Більшість публікацій про імплантовані біосенсори повґязується з електродними приладами. Оптоволоконні датчики вже завойували своє місце у медицині і широко використовуються для внутрішніх обстежень людського тіла. Вони ізольовані від будь якого електричного контакту з тілом.
Біосенсори були комерційно-доступними в клінічному аналізі з 1970 року, але вони рідко застосовуються. Сучасні технологічні розробки обіцяють використати їх потенційні можливості на повну силу та зробити революцію в клінічному аналізі. Біосенсори виходять за межі лабораторій, з їх професійним персоналом, до звичайних споживачів. Вже зараз біосенсор можна приєднати до ПК.
Висновки.
1.Біосенсори – це надзвичайно чутливі та специфічні прилади, що досягають такого рівня чутливості завдяки використанню біологічного матеріалу в поєднанні з надзвичайно тонкими за будовою перетворюючими компонентами.
2.В складі біосенсорів може бути використаний найрізноманітніший біологічний матеріал, від простої біомолекули до цілого організму.
3.У створенні біосенсорів використовуються різноманітні фізикохімічні методи, що включають у себе електрохімію, хімію полімерів, волоконну оптику, імунологію, біохімію та молекулярну біологію.
4.Біосенсори можуть бути використані в широкому спектрі наук.Вони можуть бути використані в медицині для самообстеження та самоконтролю пацієнтами, для моніторингу навколишнього середовища, для контролю за якістю харчових продуктів. Але особливу увагу привертає придатність деяких типів біосенсорів для використання in vivo.
5.Отже, біосенсори є надзвичайно вдалим досягненням сучасної науки і перед цією галуззю лежить необмежене поле діяльності.
Література.
1. Aston. W.J., Ashby R.E. Higgins I.J., Scott L.D. and Turner A.P.F. In” Charge and field Effects in Biosystems”pp.491-498 Abacus Press, Tunbridge Wells,1984
2. Byfield M.P. and Abusknesha R.A. Biochemical aspects of biosensors. Biosensors and Bioelectronics,.4,1996 pp.373-396
3. Caras C.D. and Janata J. Anal.Chem.,52 1935,1980.
4. Caras C.D. ,Petelenz D and Janata J.Anal.Chem.,57,1920,1985
5. Cardosi M.F. and Turner A.P.F.in (36) pp.257-275.
6. Cardosi M.F.,Stanley C.J.and Turner A.P.F. In”Chemical Sensors”pp.634,Imprimierie Biscaye, Bordeaux,1986
7. Cass A.E.G., Davis,G., Francis G.D., Hill H.A.O., Aston W.J. Higgins I.J., Plotkin E.V.,Scott L.D.L. and Turner A.P.F.,Anal.Chem.,56,667,1984.
8. Claremont D.J. and Pickup J.C. In (36).pp.356-376,
9. Clark L.C. and Lions C. Anns.N.Y.Acad.Sci.,102,29,1962
10. Clarc L.C. In (36),pp.3-12
11. Czaban,J.D. Anal. Chem,57,354A,1985
12. Danielson B.,Lundstrom I., Mosbash K. and Stilbert L. Anal. Lett.,12,1189,1979
13. Danielson B. and Mosbash K., In (36) pp. 575-596
14. Dicks J.M., Aston W.J., Davis G. and Turner A.P.F. Anal.Chim.Acta.,182,103,1986
15. Goldfinch M.J. and Lowe C.R. Anal.Biochem.,109,216,1980.
16. Guilbault G.G., Danielsson B., Mandenius CF. and Mosbach K. Ensime electrode and termistor probes for determination of alcohol with alcohol oxidase. Anal. Chem.1983:55:1582-5
17. Guilbault G. and Shu F.R. Anal. Chem.,44,2161,1972
18. Keating M.Y. and Rechnitz G.A.. Anal. Chem.,56,801,1984.
19. Leidberg B., Nylander C, Lundstrom I. Sensors and Activators. 4.299.1983
20. Mattiasson B., Borebaeek C., Sanfridson B., Mosbach K., TELISA. Biochim. Biophis. Acta.1977;483:221-7
21. Matthews J.A.,Kricka L.J.Anal. Biochem.1988.169.1
22. Mattews D.R. , Bown E., Beek T., Frank M., Gosden E., Lock L., Plotkin E., Wickham M. and Turner R.C. Diab. Med.(in press)
23. McKinley B.A., Houtchens B. A. and Janata J.,Ion Selective Electrode. Rev.6 ,173,1985
24. Mosbach K. Danielsson B. Thermal bioanalisis in flow streems.Anal. Chem. 1980:52:1935-7
25. Nilsson H., Ackerland A.C., and Mosbach K. Biochem.Biophis.Acta.320,529,1973
26. Oliveria R.J. and Silver S.F. United States Patent.4.242.096.1980.
27. Peterson J.I. and Vuree G.C. Science.22.123.1984
28. Roeder J.E. and Bastiaans G.J. Anal.Chem.55.2333.1983
29. Shultz J.C. , Mansouri S. and Goldstein I.J. Diabetic Care.5.245.1982
30. Shichiri M., Kawamori R. and Yamasaki Y. In(36)pp409-424
31. Shons A., Dorman F., Najarian J.J. Biomed. Mater.Res.6,565,1972
32. Siddiqui I.W. Clin.Chem.28.1962.1982
33. Sutherland R.M. ,Dahne C.,Place J.F., Ringrose A.S.Clin.Chem.,30,1533,1984
34. Taylor R. F. The World Biotechnology Repts.1986 v2. p.7 San-Francisco.
35. Turner A.P.F., Aston W.J., Bell W.J., Colby J., Davis G., Higgins I.J. and Hill H.A.O., Anal.Chim.Acta.,163,161.1984
36. Turner A.P.F.,Karube I. and Wilson G.S. (Eds.)(1986) Biosensors: Fundamentals and Applications, Oxford university Press, Oxford p.800
37. Turner A.P.F. and Pickup J.C. Biosensors ,1,85,1985
38. Updick S.J. and Hicks G.P. Nature, 214, 986, 1967.
39. Yasuda K., Miyagi H., Hamada Y. and Takata Y. Analist,109,61,1984.
40. Дзядевич С.В. Клітинні та ферментні Кондуктометричні біосенсори для визначення концентрацій деяких субстратів та інгібіторів ферментів. НАН України.Інститут біохімії ім О.В. Паладіна. Автореф.К.1995. с.1.
41. Салянов В.И., Прасолов В.С., Палумбо М., Евдокимов Ю.М. Биофизика, 1989, 34, р.1262.
42. Чаморовский С.К., Кононенко А.А., Лукашев Е.П. Светочувствительные биосенсоры, Итоги НИТ .ВИНИТИ.Биотехнология т.26( Биосенсоры) М. 1990. с.76