Біосенсори Використання в медицині (стр. 1 из 5)

Національний Університет “Києво-Могилянська Академія.”

Курсова робота

на тему: Біосенсори. Використання в медицині.

Виконав: Футерник Павло Володимирович,

студент ІІ-го курсу

ФПрН

Керівник : Куниця Наталья Іванівна, к.б.н.

Київ. 1999 р.

План.

Вступ. Розділ перший. Біологічний матеріал в біосенсорах.

І) Ферментні біосенсори.

ІІ) імуносенсори.

ІІІ) Біосенсори, що містять інтактні клітини.

ІV) Біосенсори базовані на молекулярних рецепторах.

V) Нуклеінові кислоти в біосенсорах.

Розділ другий. Перетворювачі різних типів, що використовуються в біосенсорах.

І) Електрохімічні біосенсори.

ІІ) Оптичні біосенсори.

ІІІ) Калориметричні біосенсори.

ІV) Мікрогравіметричні та акустичні біосенсори.

Розділ третій. Використання біосенсорів в клінічній діагностиці. Висновки.

Література.

Вступ.

Основною причиною різкого збільшення зацікавленості та досліджень в галузі біосенсорів в останні два десятки років є їх висока специфічність та чутливість, що досягається завдяки використанню біологічних молекул та систем. Біосенсор - це аналітичний прилад , що містить в своєму складі біологічний чутливий елемент (фермент, антитіло, ДНК, клітинні органели, клітини чи шматочки тканин) поєднаний з перетворювачем (електрохімічним, оптичним, калориметричним чи акустичним)⁽³⁴⁾. Вимірювання концентрації мішені аналізатор виконує кількісним перетворенням параметрів реакції у кількісний електричний чи оптичний сигнал (Малюнок 1).

Малюнок 1. Принцип роботи біосенсора.

Двома найбільш важливими властивостями будь якого біосенсору є : а) його специфічність та б) чутливість аналізатора відносно мішені. Специфічність біосенсора цілком керується властивостями біологічного компоненту, тому що саме тут речовина контактує з сенсором. Чутливість цілого приладу залежить як від біолгічного компоненту так і від перетворювача, тому що тут має бути чудова взаємодія між біомолекулою та аналізуємою речовиною, а також дуже висока ефективність наступного визначення реакції перетворювачем (Малюнок 2). В порівнянні з хімічними сенсорами набагато вигіднішими є біологічні сенсори, висока специфічність яких є результатом оптимального молекулярного розпізнавання.Це найкраще можна показати на прикладі взаємодії антиген-антитіло(Ат-Аг) , де антитіло може розпізнати та приєднати відповідний антиген з надзвичайно високою специфічністю.

Аналітичний рівень ( моль/л)

М ферментні електроди

mМ 10^-3 прямі імуносенсори

mМ 10^-6 непрямі імуносенсори

nМ 10^-9

pМ10^-12

fМ 10^-15 імуноаналіз

aМ 10^-18

Малюнок 2. Типовий ряд концентрацій, виміряний різними типами біосенсорів та імуноаналізом.

Найменші хімічні зміни в молекулярній структурі Аг можуть сильно зменшити спорідненість до Ат (яке мало перехідну реакційність). Наприклад, ферменти, як глюкозоксидаза, будуть розпізнавати свій природній субстрат (глюкозу в даному випадку) з набагато більшою спорідненістю, ніж інший компонент у реакційному середовищі. Хімічно подібні молекули (інші малі цукри) можуть проявляти деяку активність, якщо присутні в достатньо високій концентрації. Рівень специфічності , та в багатьох випадках чутливості, розпізнавання та вимірювання, що був досягнутий в біосенсорах, набагато перевищує той, що існує в переважній більшості хімічних сенсорів⁽²⁾_.

Висока специфічність біомолекул та біологічних систем, що стосується міжмолекулярних взаємодій, може бути використана в біосенсорних приладах лише при наявності високоефективного сполучення між біологічним компонентом та компонентом перетворювача. Ряд потенційних біологічних компонентів та подібний ряд перетворювачів можуть бути використані в біосенсорах (Таблиця 1), що робить дійсно необхідним мульті- та міждісциплінарний підхід у розробці та дослідженнях в цій області⁽³⁶⁾_. Багато в області перетворювачів вже зроблено, але вона вимагає подальшого розвитку та оптимізації. На практиці широкий ряд оптичних та електрохімічних технологій було використано в поєднанні з біологічним аналізом.

Таблиця 1. Основні компоненти біосенсорів.

Біологічний компонент	Перетворювачі
Нуклеінові кислоти	Оптичні
Коферменти	Флуоресцентні
Антитіла	Поглинаючі
Рецептори	Електрохімчні
Ферменти	Амперометричні
Ферментні системи	Потенціометричні
Мембрани	Кондуктометричні
Органели	П’єзоелектричні
Клітини	Калориметричні
Тканини	Акустичні
Організми	Механічні

Біомолекули та біологічні системи, що застосовуються в біосенсорах, можуть бути розділени на наступні головні групи :

1) Ферменти

2) Антитіла

3) Клітини

4) Рецептори

5) Нуклеїнові кислоти

Інші перелічені класи біологічних компонентів , розглянутих в табл.1 (наприклад, органели, тканини, мембранні системи ), знаходять тільки обмежене застосування в галузі біосенсорів.

Розділ перший. Біологічний матеріал в біосенсорах.

1.Ферментні біосенсори.

Головну частину досліджень та розробок в області біосенсорів пов’язано з ферментами . Вони зручні для використання в біосенсорах як довготривалі визначники концентрації аналізуємих речовин. Серед широкого спектру ферментних біосенсорів основною рисою є перетворення ферментом аналізуємої речовини на певний продукт, який можна визначити . Цей продукт повинен мати певну електроактивність (наприклад, редокс-активність) чи оптичні якості (наприклад, флуоресценцію чи поглинання). Ферментні сенсори першого типу називаються ферментними електродами, другого типу - ферментними оптродами.

Відомі також три інші типи ферментних сенсорів, це : Ферментні термістори (де теплота ,що виділяється під час каталізованої ферментом реакції, вимірюється та пов’язується з концентрацією аналізуємої речовини); Інгібіторні ферментні сенсори(де аналізуєма речовина інгібує специфічну ферментну реакцію, змінюючи електрохімичний чи оптичний сигнал, з чого виходить ,що аналізуєма речовина не є субстратом ферменту); і, нарешті, новий тип ферментних оптродів, в яких сигнал виникає з самого ферменту або з асоційованої біомолекули (наприклад, коферменту), а не з продукту ферментної реакції. Таблиця 2 об’єднує основні типи ферментних сенсорів.

Певною метою в розробці ферментних біосенсорів є використання високої специфічністі та чутливості, що слугує прикладом фермент-субстратної взаємодії, як основи для визначальної та вимірювальної системи. Взаємодія між ферментом та його субстратом призводить до витрати субстрату та утворення продуктів. Це ефетивно використовується, коли перетворювач фіксує певну властивість продукту та генерує сигнал⁽³⁶⁾. Цей принцип ілюструє більшість ферментних біосенсорів.

Таблиця 2. Основні типи ферментних біосенсорів.

Перетворювач Принцип визначення Приклади

Аналіт Фермент

Електрохімічний а) Аналіт перетворюється Глюкоза Глюкозоксидаза

на електроактивний продукт

б) Аналіт інгібує ферментну CN^- Цитохромоксидаза

реакцію яка продукує

електроактивну речовину

Оптичний а)Аналіт перетворюється на Холестерол Холестеролоксидаза

продукт з оптичними (О₂)

влативостями(або індукуючий

оптичний сигнал.

б) Оптичні властивості Лактат Лактатмонооксигеназа

ферменту змінюються в

залежності від реакції з

аналітом.

в) Аналіт інгібує ферментну Пестициди Ацетилхолінестераза

реакцію, яка продукє речовину

з оптичними властивостями.

Калориметричний Реакція ферменту з аналітом Глюкоза Глюкозоксидаза

викликає виділення теплової

енергії.

ІІ. Імуносенсори.

Висока специфічність та висока чутливість, яка характеризує реакцію антиген- антитіло, були використані в різного роду лабораторних тестах, які використовували антитіла (імуноаналіз). Імуноаналіз - це багатоступінчатий лабораторний тест, який базується на розпізнаванні та зв’язуванні аналіта антитілом⁽³⁶⁾. На відміну від імуноаналізу, де можливе використання сигнал-генеруючих міток, калібровочних графіків та спеціальних операцій з середовищем (таких, як обробка зразка, оптимізація рН, певна послідовність дій, період витримування 5-30 хв. ), справжні імуносенсори ідеально характеризуються притаманною сигнал-генеративною властивістю, можливістю визначати антиген (аналіт) менше ніж за 2-3 хв. та деякою оберненістю.

Головною метою в розробці імуносенсорів є створення більш простих Ат-базованих тестів, які б поєднували чутливість та специфічність лабораторного імуноаналізу зі зручним обслуговуванням сенсорних приладів.Це дасть змогу проводити аналіз поза межами великих медичних установ. Лімітуючим фактором в створенні дешевих біосенсорів є те, що цілий прилад може бути використаний лише тільки раз. На практиці зараз впроваджуються імуносенсори, в яких використовуються замінні чіпи з біологічним матеріалом .

Молекули Аг мають великі розміри, і тому найчастіше в імунодіагностиці використовуються оптичні методи аналізу , ядерний магнітний резонанс (ЯМР) чи електрохімічні методи (рідше).