Таблиця 4. Речовини, що аналізуються ферментним термістором.
| Речовина | Імобілізований агент | Межа вимірів, ммоль/л |
| Аскорбінова кислотаАТРХолестеролЕфіри холестеролаКреатинінГлюкозаГлюкозаЛактатОксалатОксалатТригліцеридиСечовинаСечова кислотаАльбумін(Аг)Гентаміцин(Аг)Інсулін(Аг) | Відповідна оксидаза Апіраза чи гексокіназаВідповідна оксидазаВідповідна естераза та оксидазаВідновлювальна імуногідролазаГлюкозоксидаза + каталазаГексокіназаЛактат 2-монооксигеназаОксалат оксидазаВідповідна декарбоксилазаЛіпопротеінова ліпазаУреазаУріказаІмобілізовані антитіла плюс мічений ферментом антиген | 0.05-0.61-80.03-0.150.03-0.150.01-100.02-0.80.5-250.05-20.005-0.50.1-30.1-50.01-5000.5-4100.1 мг/мл0.1-1.0 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) :
Dff=–DmApt
де Dff–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 розв´язана. 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 пов´язується 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