Ферментні сенсори в медицині

На сьогодні в найрізноманітніших сферах нашого життя: від медицини до військової промисловості, від переробки продуктів харчування до мікроелектронних сенсорів, – вчені відкривають усе нові шляхи використання каталітичних властивостей і унікальної здатності біологічних систем до впізнавання. У багатьох випадках розробка практичних методів або приладів, які включають в якості компонента біологічний елемент, значною мірою залежить від наявності відповідних методик, що дозволяють стабілізувати та зберігати цей біологічний елемент.

Сенсори — це прилади, що дозволяють здійснювати якісний чи кількісний аналіз в реальному масштабі часу з мінімальною додатковою пробопідготовкою.

Біосенсори — аналітичні пристрої, до складу яких входять біохімічні елементи, що реагують з речовинами, які визначаються, і знаходяться в безпосередньому контакті з трансдьюсером (датчиком), який перетворює біохімічний сигнал в електричний.

Трансдьюсер — датчик (перетворювач сигналу), який перетворює біохімічний сигнал за участю біологічного компоненту сенсору в електричний. Це може бути електрод, оптоволокно, пьєзокристал. Електрохімічні сенсори становлять 80% всіх біосенсорів.

Передумови для створення біосенсорів з’явилися досить давно. У 1922 році з’явився перший універсальний перетворювач сигналу — скляний рН-метричний електрод, який і сьогодні використовується у потенціометричних біосенсорах. У 1956 році Кларк запропонував конструкцію кисневого електроду на основі платини, що вкрита газопроникною мембраною, який у поєднанні з глюкозооксидазою використали для вимірювання глюкози у крові. Визначальним фактором у подальшому розвитку біосенсорних технологій була поява споживача, який відчував дефіціт простих і надійних засобів контролю, - медицини. І сьогодні біосенсори медичного призначення займають значну частину комерційного ринку біосенсорів. Крім вимірювання вмісту глюкози, медичні біосенсори використовують для визначення сечовини, молочної та сечової кислоти, гліцеридів жирних кислот, амінокислот, фосфотиділхолінів, низку інших метаболітів. Біосенсори використовують також в мікробіологічній промисловості, еколого-аналітичному контролі, контролі харчових продуктів та інше.

Ферментні сенсори містять чисті препарати ферментів чи біологічні препарати (гомогенати тканин чи мікробних клітин), які виявляють каталітичну активність. У відповідності до принципу функціонування ферментні сенсори підрозділяють на субстратні та інгібіторні. Субстратні біосенсори призначені для визначення специфічних субстратів ферментативних реакцій. Прикладом є визначення глюкози за допомогою глюкооксидази, сечовини — уреази. Інгібіторні сенсори призначені для визначення речовин, що знижують активність ферменту. Наприклад сенсори для визначення фосфорорганічних пестицидів, що знижують активність ацетилхолінестерази.

Як уже зазначалося, першим біосенсором був глюкозний електрод, в якому фермент глюкооксидаза каталізувала реакцію окислення глюкози до глюколактону. Фермент знаходився у водному розчині між двох діалізних мембран, закріплених на поверхні кисневого датчику. Перетворення, які відбуваються в такому сенсорі, можна представити схемою:

електрод

Глюкоза FADH₂ H₂O₂

 

Глюколактон FAD O₂ 2е

Зараз до 85% світового ринку біосенсорів припадає на випуск глюкометрів. Сумарний об’єм продаж становив 5 млрд. доларів у 2004 році. На сьогодні 11 компаній випускають 33 моделі глюкометрів, які відрізняються за виконанням біосенсорної частини, вимогами до потрібного об’єму крові, часу вимірювання, вартості. За даними медичної статистики кількість хворих на цукровий діабет постійно зростає і до 2025 року становитиме 300 млн. осіб. На долю розвинених країн припадає близько 17% кількості хворих, що дозволяє розраховувати на стабільний ріст ринку відповідних вимірювальних пристроїв.

Серед специфічних субстратів ферментів біомедичного призначення необхідно відзначити молочну кислоту (лактат), а також продукт її відновлення — піровиноградну кислоту (піруват). Ці метаболіти переходять один в інший в залежності від редокс-статусу біологічного середовища під дією лактатдегідрогенази. Це NAD-залежна оксидоредуктаза, активність якої і напрям реакції залежить від співвідношення концентрацій окисленої та відновленої форм кофактору NAD/NADH. Вміст лактату є маркером функціонально анаеробного стану м’язів і одним з параметрів оцінки загального стану хворого у післяопераційний період, спортсменів після значних фізичних навантажень.

Інші ферменти, які мають важливе значення для клінічного аналізу, наведено в табл. 14.3.

Таким чином, імобілізація ферментів дозволяє значно збільшити термін їхнього зберігання, робить їх більш стійкими до агресивних впливів внутрішнього середовища організму, дозволяє зберігати початкову активність ферменту впродовж тривалого часу.

Таблиця14.3