Обзор последних достижений в сфере биосенсорных технологий и возможных областей их применения

 

технологии диагностики

 

Применение биосенсоров приобрело огромную важность в сферах разработки лекарственных препаратов, биомедицины, стандартов продовольственной безопасности, обороны, безопасности и мониторинга качества окружающей среды. Результатом этого стала разработка точных и мощных аналитических инструментов, использующих биологический элемент в качестве биосенсора. Глюкометры, принцип действия которых основан на стратегии электрохимического выявления кислорода или пероксида водорода с помощью электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой, положили начало разработке биосенсоров. Последние достижения в области биологических технологий и измерительных приборов, подразумевающие использование флуоресцентных меток для наноматериалов для повышения предела чувствительности биосенсоров. Применение аптамеров или нуклеотидов, аффител, пептидных панелей и полимеров с молекулярными отпечатками предоставило исследователям инструменты для разработки инновационных биосенсоров, за основу которых берутся классические методы. Интегрированные подходы предоставляют лучшие возможности для разработки специфичных и чувствительных биосенсоров с высоким регенеративным потенциалом. Различные биосенсоры, начиная с наноматериалов и полимеров и заканчивая микроорганизмами, имеют более широкую сферу перспективных направлений применения. Для этого важно интегрировать многосторонние подходы в разработку биосенсоров, потенциально пригодных для применения в различных сферах. В данной статье приведен обзор различных типов биосенсоров, начиная от электрохимических, флуоресцентных меток, наноматериалов, оксида кремния или кварца и заканчивая микроорганизмами, применяемых для биомедицинских целей и в охране окружающей среды, а также описаны будущие перспективы для отрасли биосенсорных технологий.

 

Введение

Термин «биосенсор» относится к мощному инновационному аналитическому устройству с биологическим чувствительным элементом, обладающему широким спектром возможных областей применения, таких как разработка препаратов, диагностика, биомедицина, продовольственная безопасность и пищевая промышленность, мониторинг состояния окружающей среды, оборона и безопасность. Первый биосенсор, изобретенный в 1962 году Кларком (Clark) и Лионсом (Lyons) для измерения уровня глюкозы в биологических образцах и использовавший стратегию электрохимического выявления кислорода или пероксида водорода с помощью электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой. С тех пор невероятный прогресс был совершен как в технологии, так и в применении биосенсоров, использующих инновационные подходы, в том числе электрохимию, нанотехнологию и биоэлектронику. Учитывая феноменальные достижения в области биосенсоров, целью данного обзора является ознакомление читателя с различными техническим стратегиями, адаптированными для разработки биосенсоров, с целью предоставления базовых знаний и современной ситуации в области биосенсорных технологий. Особое внимание уделяется исследовательским инструментам, демонстрирующим каким образом производительность биосенсоров эволюционировала классических электрохимических методов до оптического/визуального выявления, полимеров, оксида кремния, стекла и наноматериалов, применяемых для улучшения порога обнаружения, чувствительности и избирательности. Интересен тот факт, что микроорганизмы и биолюминесценция в целом применялись в разработке биосенсоров на основе меток, тогда как не использующие меток биосенсоры подразумевают использование устройств на основе транзисторов или конденсаторов и наноматериалов. Биосенсоры предоставляют базу для понимания технологических улучшений в сфере измерительных приборов, включающих сложные аппараты с высокой пропускной способностью, применяемые в количественной биологии, и портативные количественные и полуколичественные устройства для непрофессионального применения. Помимо этого в статье освещены, современные исследовательские тенденции, будущие задачи и ограничения данной сферы. Данные обзор разделен на подразделы, описывающие две основные технические стратегии, а также различные типы биосенсоров, в том числе электрохимических и оптических/визуальных, а также использующих полимеры, оксид кремния, стекло и наноматериалы. Эти устройства разрабатывались для специфичных целей, и данный обзор предоставляет читателям исчерпывающую информацию о биосенсорных устройствах и областях их применения.

 

Технические стратегии

Технические стратегии, применяемые для разработки биосенсоров, основаны на выявлении биомаркеров с использованием и без использования меток. Выявление с использованием меток основано преимущественно на специфичных свойствах метящих соединений, применяемых для прицельного выявления. Биосенсоры такого типа надежны, однако часто требуют комбинации специфичных чувствительных элементов, изготавливаемых с использованием иммобилизованного белка-мишени. С другой стороны, не использующий меток метод позволяет выявлять молекулы-мишени, не пригодные для мечения. Последние междисциплинарные подходы в области биотехнологии и биоинженерии, электротехники и электроники проложили дорогу разработке не использующих метки биосенсоров для различных методов выявления с широким спектром направлений применения в области медицины и науки об окружающей среде.

 

Электрохимические биосенсоры

Уже ставшее классикой создание глюкометра на основе глюкозооксидазных биосенсоров является первым шагом в истории разработки электрохимических биосенсоров. Глюкозные биосенсоры очень популярны в клиниках и диагностических учреждениях, так как они необходимы для периодического мониторинга уровня глюкозы в крови пациентов с сахарным диабетом. Однако эти биосенсоры имеют недостатки в силу нестабильной активности или негомогенности фермента, обуславливающей важность дополнительной калибровки. Фактически эти потенциальные недостатки привели к разработке спектра биомолекул, обладающих различными электрохимическими свойствами, что обусловило появление более стабильно работающих биосенсоров глюкозы. В последнее время электрохимические биосенсоры, как правило, изготавливаются путем модифицирования поверхности металлических и углеродных электродов с использованием биоматериалов, таких как ферменты, антитела или ДНК. Выходной сигнал биосенсора обычно генерируется в результате специфичных реакций связывания или каталитических реакций между материалами на поверхности электрода. Необходимость разработки электрохимических сенсоров стала особенно актуальна для клинической диагностики заболеваний, в которых большое значение имеет раннее выявление или мониторинг. В данном контексте для разработки не-ферментативных биосенсоров вместо белков рассматриваются синтетические материалы. Интересен тот факт, что различные типы биомолекул обладают разной стабильностью и избирательностью, что в конечном итоге позволяет разрабатывать новые типы электрохимических биосенсоров для разных целей. В зависимости от сферы применения были разработаны разные типы электрохимических биосенсоров, а биосенсоры глюкозы претерпели стремительную эволюцию.

Еще одним современным изобретением является биохимический сенсор для оценки уровней активных форм кислорода в физиологических системах. Важным областью применения данного направления представляется выявление мочевой кислоты как наиболее важного конечного продукта метаболизма пурина в биологических жидкостях организма, которое может выступать в роли инструмента для диагностики различных клинических аномалий и заболеваний. Однако исключительно важной задачей является разработка экономически эффективного и чувствительного метода. Аналогично ситуации с количественным измерением уровня глюкозы, электрохимический подход к оценке уровня окисления мочевой кислоты выглядит идеальным претендентом. Однако сходство с точки зрения окислительных процессов мочевой кислоты с аскорбиновой кислотой серьезно затрудняет разработку высокочувствительного электрохимического биосенсора. Для преодоления этой проблемы авторы разработали биосенсор на основе амперометрического выявления (amperometric detection), позволяющего измерять как восстановительный, так и окислительный потенциалы. Учитывая стоимость и воспроизводимость данной процедуры, важным моментом является иммобилизация или нанесение ферментов на поверхность обычных электродов или электродов на основе наноматериалов, идеальных для разработки одноразовых избирательных, экономически эффективных и чувствительных биосенсоров для рутинного измерения уровней мочевой кислоты. В этом отношении очень перспективными выглядят недавние достижения в области трехмерной биопечати, целью которых является создание биосенсоров на основе живых клеток, инкапсулированных в трехмерное микроокружение. К этому же направлению относится недавно разработанный беспроводной биосенсор-капа для непрерывного определения в режиме реального времени концентрации мочевой кислоты в слюне. Эта технология может быть использована в разработке пригодных для ношения на теле устройств, для мониторинга различных параметров состояния здоровья. Электрохимические сенсоры уже успешно применялись для измерения уровня гормонов, однако перспективы применения данного подхода еще требуют детального рассмотрения. В основе еще одного потенциального направления технологических разработок в области биосенсоров лежит прицельное воздействие на нуклеиновые кислоты. Хорошо известно, что клеточная экспрессия малых интерферирующих РНК (миРНК) является идеальным биомаркером для диагностики манифестации болезни и воздействие на нее повышает эффективность генной терапии генетических заболеваний. Обычно миРНК выявляются с помощью нозерн-блоттинга, микрочипов и полимеразной цепной реакции (ПЦР). Современные технологии позволяют создавать идеальные электрохимические биосенсоры для выявления миРНК, принцип действия которых основан на безметочной идентификации реакции окисления гуанина, запускаемой формированием гибрида между миРНК и соответствующим зондом захвата на основе аналога инозина. Все эти изобретения появились благодаря современным подходам, применяемым для продвижения технологии электрохимических биосенсоров в биомедицине.

Мониторинг состояния окружающей среды является еще одним важным направлением, в котором технология биосенсоров востребована для быстрого выявления остаточных количеств пестицидов для устранения угрозы здоровью человека. Традиционные подходы, такие как высокопроизводительная жидкостная хроматография, капиллярный электрофорез и масс-спектрометрия, эффективны как методы выявления пестицидов в окружающей среде, однако они имеют ограничения, обусловленные сложностью реализации, большими временными затратами, потребностью в высокотехнологичных инструментах и эксплуатационными возможностями. Поэтому простые биосенсоры имеют огромное преимущество, но разработка унифицированного устройства для анализа различных классов пестицидов является очень сложной задачей. Для решения этой проблемы были разработаны биосенсоры на основе ферментов, а именно ингибитора ацетилхолинестеразы, позволяющие определять физиологической вклад пестицидов в окружающую среду, продовольственную безопасность и контроль качества. За последние 10-20 лет эта технология была еще более усовершенствована для быстрого проведения анализа с помощью методов иммобилизации и других стратегий изготовления. Аналогичным образом пьезоэлектрические биосенсоры были разработаны для выявления влияния на окружающую среду фосфаторганических и карбаминовокислых пестицидов. Известно, что хлорорганические пестициды оказывают неблагоприятное влияние на окружающую среду, при этом такие, как эндосульфан, могут наносить серьезный ущерб. Пестициды этого класса по-разному воздействуют на репродуктивную систему самцов и самок рыб. Учитывая этот факт, а также феномен биологического накапливания (биомагнификации), изобретение биосенсоров для анализа водных экосистем было бы очень полезно. Для того, чтобы удовлетворить эту потребность в области биосенсоров произошла революция, в рамках произошел быстрый прогресс в методах изготовления и использования наноматериалах, кварцевых кристаллов или диоксида кремния. Очень важно уделять особое внимание выбору рецепторов для разработки биосенсоров, использованию различных технологий преобразования сигнала и стратегий быстрого скрининга для применения в областях пищевой и экологической безопасности, а также мониторинга. Для достижения этого большое значение имеет изготовление биосенсоров; достижения в этой области четко описаны ниже.

 

Оптические/визуальные биосенсоры

Как описано выше, биомедицинские и экологические направления требуют разработки простых, быстро работающих и высокочувствительных биосенсоров. Это может быть реализовано с помощью иммобилайзеров, которые могут изготавливаться из золота, материалов на основе углерода, кварца или стекла. Фактически инкорпорирование золотых наночастиц или квантовых точек с использованием метода микротехнологии представляет собой новую технологию разработки высокочувствительных и портативных биосенсоров на основе фермента цитохрома Р450 для применения в определенных целях. Более того, оптоволоконные химические сенсоры очень актуальны для различных областей, таких как поиск новых лекарственных средств, биозондирования и биомедицины. В последнее время гидрогели, применявшиеся в качестве сенсоров на основе ДНК, приобретают популярность в качестве материалов для иммобилизации в оптоволоконной химии. По сравнению с другими материалами иммобилизация в гидрогеле происходит а трех измерениях, что обеспечивает загрузку большого количества чувствительных молекул. Гидрогели (полиакриламид) представляют собой гидрофильные полимеры с поперечными связями, которым для иммобилизации можно придавать разные формы, начиная от тонких пленок и заканчивая наночастицами. Гидрогели считаются простым субстратом для иммобилизации ДНК, обладающие рядом преимуществ, таких как возможность удержания молекул, их контролируемого высвобождения, обогащения аналитов и защиты ДНК. Эти характеристики уникальны для гидрогелей по сравнению с другими материалами, пригодными для биомолекулярной иммобилизации. Более того, хорошая оптическая прозрачность гидрогелей предоставляет возможность применения удобной стратегии визуального выявления. Методы иммобилизации ДНК-биосенсоров в монолитных полиакриламидных гелях и гелевых микрочастицах часто рассматриваются как техническое достижение в области биосенсорных технологий. Выявление единичных молекул для идентификации ДНК также стало возможным с помощью электрохимического окисления гидразина.

 

Биосенсоры на основе оксида кремния, кварца и стекла

Поиск новых методов разработки биосенсоров привел к использованию обладающих уникальными свойствами материалов из оксида кремния, кварца и стекла. Среди этих материалов особое место заниманию наноматериалы на основе оксида кремния, обладающие наиболее высоким потенциалом для использования в производстве биосенсоров благодаря своей биосовместимости, доступности, а также электронным, оптическим и механическим свойствам. Более того, такие материалы нетоксичны, что является очень важным условием для биомедицинских и биологических сфер применения. Материалы на основе оксида кремния могут использоваться для биовизуализации, биосенсорного анализа и в терапии рака. Помимо этого флуоресцирующие материалы на основе оксида кремния уже давно применяются в биовизуализации. Интересен тот факт, что нанопровода из оксида кремния в комбинации с золотыми наночастицами представляют собой гидридные структуры, применяемые в рамках революционных подходов к лечению рака. Ковалентное прикрепление модифицированных тиолом олигомеров ДНК к оксиду кремния или стеклу обеспечивает формирование ДНК-пленок, повышающих эффективность УФ-спектроскопии и методов гибридизации. Несмотря на множество преимуществ применения наночастиц из оксида кремния, существует целый ряд требующих решения сложностей, таких как разработка методов крупномасштабного малозатратного производства, а также биосовместимость после биомолекулярного контакта. Решение этих вопросов обеспечит возможность превращения наноматериалов на основе оксида кремния в компоненты современных биосенсоров. Не имеющие проводов и электродов биосенсоры на основе микровесов на кристалле кварца представляют собой еще одну платформу для анализа взаимодействий между биомолекулами с высокой чувствительностью. Пульсации кварцевых осцилляторов возбуждаются и регистрируются с помощью антенн через электромагнитные волны без проводных соединений. Это точное бесконтактное изменение является ключевым моментом для разработки ультравысокочувствительной идентификации белков в жидкости с помощью измерительных приборов на основе биосенсоров на кристаллах кварца. Уникальные характеристики материалов на основе оксида кремния, кварца или стекла позволили разработать несколько новых высокотехнологичных биосенсоров для усовершенствования измерительных приборов, применяемых в области биомедицинских технологий, однако их экономическая целесообразность и биологическая безопасность требуют внимания.

 

Биосенсоры на основе наноматериалов

Для иммобилизации биосенсоров используется широкий спектр наноматериалов, в том числе наночастицы золота, серебра, оксида кремния и меди, а также материалы на основе углерода, такие как графит, графен и углеродные нанотрубки. При разработке электрохимических и других биосенсоров материалы на основе наночастиц обеспечивают высокую чувствительность и специфичность. Среди металлических наночастиц для практического использования наиболее пригодны золотые наночастицы, устойчивые к окислению и практически нетоксичные. В то же время наночастицы из других металлов, таких как серебро, при введении в организм, например, для доставки препаратов, окисляются и оказывают токсичное действие. В целом применение наноматериалов в составе биомедицинских биосенсоров ассоциировано с потенциальными сложностями. Более того, стратегии усиления сигнала с помощью наночастиц имеют потенциальные преимущества и недостатки. Тем не менее, наноматериалы считаются важными компонентами биоаналитических устройств благодаря их способности повышать чувствительность и пороги обнаружения при детектировании единичных молекул. В данном контексте стоит упомянуть изобретение наночастиц на основе платины для электрохимической амплификации с одноуровневой реакцией для выявления низкой концентрации ДНК. Аналогичным образом полупроводниковые квантовые точки и нанокристаллы из оксида железа, обладающие как оптическими, так и магнитными свойствами, можно эффективно связывать с опухолеспецифичными лигандами, такими как моноклональные антитела, пептиды или малые молекулы, для прицельного воздействия на опухолевые антигены с высокой аффинностью и специфичностью. Технология квантовых точек может применяться в изучении опухолевого микроокружения при проведении терапии, а также для доставки нанопрепаратов.

 

Генетически закодированные или синтетические флуоресцентные биосенсоры

Разработка меченых биосенсоров с использованием генетически закодированной или синтетической флуоресценции предоставила возможность изучать биологические процессы, в том числе различные молекулярных пути внутри клетки. Фактически метод выявления меченых флуоресценцией антител впервые был разработан для получения изображений фиксированных клеток. Эта стратегия предоставила новые возможности разработки таких биосенсоров с использованием биологических белков и малых молекул, связывающихся с аналитами и вторичными мессенджерами. Впоследствии были разработаны флуоресцентные биосенсоры для анализа двигательных белков, использующие метод выявления единичных молекул при определенной концентрации аналита. Несмотря на эти преимущества, методология выявления и анализа метки выглядит сложной. Изобретение зеленого флуоресцирующего белка и других флуоресцирующих белков предоставило ряд преимуществ с точки зрения дизайна и эффективности оптического зонда. За последнее десятилетие генетически закодированные биосенсоры, специфичные к молекулам, вовлеченным в синтез энергии, активным формам кислорода и цАМФ, позволили лучше разобраться в физиологии митохондрий. цАМФ является важной сигнальной молекулой и терапевтической мишенью для сердечно-сосудистой системы. С учетом этого биосенсоры, функционирующие на основе метода резонансного переноса энергии флуоресценции, были разработаны для визуализации цГМФ, цАМФ и ионов кальцию внутри клетки. Некоторые из таких сенсоров эффективно применяются для in vivo визуализации в первичных культурах и живых клетках. На сегодняшний день проработано достаточно много аспектов разработки сенсоров для визуализации в условиях живого организма. Появившиеся в результате оптимизации таких подходов малоугловое рассеяние рентгеновский лучей для разработки кальциевых каналов и резонансный перенос энергии флуоресценции для выявления киназ признаны самыми лучшими биосенсорными методиками в современной физиологии. Таким образом был разработан ряд специфичных к определенным мишеням биосенсоров на основе микроорганизмов (микробов) и клеточных органелл. Как объяснялось ранее, электрохимические, электромеханические и оптические биосенсоры разрабатываются для более эффективного, по сравнению с другими молекулярными методиками, выявления миРНК. Появление in vivo визуализации с помощью биосенсоров малых молекул обеспечило возможность лучше разобраться в клеточной активности и механизмах действия многих других молекул, в том числе ДНК, РНК и миРНК. На сегодняшний день для трансформации в данной области требуется полногеномный подход, подразумевающий применение более эффективных генетических биосенсоров на основе оптики. На современном этапе считается, что оптические биосенсоры, комбинирующие технологии флуоресценции и малых молекул/наноматериалов, позволяют добиваться лучших результатом с точки зрения применимости и чувствительности.

 

Микробные биосенсоры, разработанные с помощью синтетической биологии и генетической/белковой инженерии

Более поздняя тенденция в области мониторинга состояния окружающей среды и биоремедиации (биологической очистки) подразумевает применение последних инновационных технологий, основанных на генетической/белковой инженерии и синтетической биологии, для программирования микроорганизмов, наделяя их специфичными выходными сигналами, чувствительность и избирательностью. Например, живые клетки, обладающие ферментативной активностью, обеспечивающей деградацию ксенобиотических соединений, будут иметь широкое применение в биоремедиации. Также были разработаны биосенсоры на микробном топливе для мониторинга биохимической потребности в кислороде и токсичности в окружающей среде. Бактерии обладают потенциалом деградировать органический субстрат и генерировать электричество для ферментации. По сути технология заключается в использовании биоэлектрохимического устройства, регулирующего силу микробного дыхания для конвертации органических субстратов непосредственно в электрическую энергию. Несмотря на эти возможности, ограничения применения микробных биосенсоров обусловлены низкой удельной мощностью с точки зрения себестоимости и эксплуатационных расходов. Специалистам удалось значительно улучшить производительность и снизить затраты с помощью новых системных подходов, что позволило создать на основе этих технологий платформу для разработки обладающих заданными свойствами микробных биосенсоров с автономным источником питания. Еще одной областью использования микробных биосенсоров является их применение для обнаружения пестицидов и тяжелых металлов, при котором эукариотические микроорганизмы имеют преимущество перед прокариотами. Это преимущественно обусловлено преимуществом разработки цельноклеточных биосенсоров для выявления токсичности пестицидов и тяжелых металлов с высокой избирательностью и чувствительностью. Помимо этого более сложные эукариотические микроорганизмы могут обладать более широким спектром чувствительности к различным токсичным молекулам и имеют большее сродство к высшим животным. Микробные биосенсоры имеют широкий спектр применения, начиная от мониторинга окружающей среды и заканчивая производством энергии. В будущем такие микробные биосенсоры будут иметь более широкое применение в мониторинге загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и экоэффективном производстве электроэнергии.

 

Технологическое сравнение биосенсоров

В предыдущих разделах статьи обсуждаются разные типы биосенсоров и их применение. В данном разделе представлено сравнение биосенсоров с точки зрения технологии, специфичности и порога обнаружения, диапазона линейности, продолжительности анализа, стоимости и портативности.

Инновации в области электрохимических сенсоров с высокой пропускной способностью, направленные на оптимизацию порога обнаружения, продолжительности анализа и портативности, обеспечили появление масштабных потребительских рынков недорогих биосенсоров, применяемых в качестве тестов на уровень глюкозы и беременность. Последний основан на использовании тест-полосок с мобилизованными антителами к хорионическому гонадотропину человека, выявляемому с помощью технологии иммунохроматографии. Иммобилизация аналитов с помощью полимеров и наноматериалов является ключом к улучшению чувствительности и порога обнаружения. С данной точки зрения, иммунохроматографический анализ на тест-полосках позволяет помещать образцы в заданное место для запуска специфичных взаимодействий, а не взаимодействий, происходящих случайным образом. Большая часть упомянутых выше биосенсоров основана на этой технологии, которая фактически проложила путь биопроизводству с использованием контактного и бесконтактного формирования. Использование для биопроизводства наноматериалов, таких как золото, серебро и оксид кремния, привело к появлению новых методов. Помимо этого нанесение полимерного покрытия на такие наноматериалы произвело революцию в сфере контактных электрохимических методов регистрации сигналов. Одним из основных преимуществ этого типа электрохимических сенсоров является чувствительность и специфичность при проведении анализа в режиме реального времени. Ограничениями в данном случае являются способность к регенерации или долгосрочное использование полимеров/других материалов, однако снижение стоимости делает такие электрохимические сенсоры более доступными. Выявление одного аналита с помощью методов контактной регистрации сигнала имеет огромные преимущества, например, возможность изменения концентрации молекул с высокой специфичностью в режиме реального времени. Для улучшения специфичности и чувствительности при выявлении единичных молекул были внедрены такие технологии, как резонансный перенос энергии флуоресценции, резонансный перенос энергии биолюменесценции, а также преобразователей на основе флуоресценции и плазмонного резонанса. При одновременном выявлении нескольких аналитов эти технологии имеют ограничения, обусловленные наложением эмиссии сигналов, однако методы, основанные на резонансном переносе энергии, часто применяют в таких ситуациях, что имеет очень большое значение для клинической диагностики из-за различий уровней биомаркеров у разных пациентов и при схожих патологиях. Применение микро- и нанокантилеверов в качестве преобразователей при биопроизводстве электрохимических сенсоров также более перспективно для одновременного выявления нескольких аналитов. Также хорошие результаты продемонстрировали неконтактные сенсоры, производимые методом трехмерной биопечати с помощью струйного или лазерного принтера. Тем не менее, необходимые затраты и адаптируемые возможности этих методов имеют серьезные ограничения. Интересно то, что большинство из этих биосенсоров с высокой пропускной способностью для выполнения специфичных целей комбинируют с методами электрохимической регистрации. Некоторые из наиболее достойных внимания портативных амперометрических электрохимических биосенсоров, работающих в режиме реального времени, были разработаны для диагностики заболеваний с использованием биологических жидкостей. В целом электрохимические биосенсоры в комбинации биопроизводством имеют низкий порог выявления для индивидуальных аналитов при проведении анализа в режиме реального времени, а также доступную цену, учитывая портативность устройства.

Оптические биосенсоры представляют собой еще одну важную технологию в области биосенсорного анализа, основывающуюся на применении оптоволоконной химии. Выявление индивидуальных молекул, например, ДНК или пептидов, наиболее эффективно при использовании перекрестно-сшитых гидрогелей, имеющих высокий коэффициент вместимости и гидрофильную природу. Были разработаны оптические биосенсоры для измерения количества ДНК, имеющие широкое применение в биомедицине и криминалистике. Комбинации биологических материалов, такие как фермент/субстрат, антитело/антиген и нуклеиновые кислоты совершили революцию в технологии оптических биосенсоров. Помимо этого в биосенсорную систему можно инкорпорировать микроорганизмы, животные или растительные клетки, а также срезы тканей. Недавние достижения в области молекулярной оптоэлектроники обусловили возможность появления оптических биометрических систем распознавания. Интегрированная оптическая технология позволяет инкорпорировать как пассивных, так и активных оптических компонентов в один и тот же субстрат для разработки минимизированных компактных регистрирующих устройств при производстве множества сенсоров на одном чипе. В данном контексте высококачественные полимеры используются для изготовления гибридных систем для оптических биосенсоров. Фактически технология оптических биосенсоров была усовершенствована с помощью современных инноваций в области анализа морфологии поверхностей с помощью высокотехнологичных электронной и атомно-силовой микроскопии. Не смотря на это, порог обнаружения оптических биосенсоров никогда не приближался к фемто-уровню из-за стоимости приборного оснащения и непортативности устройства. Современные оптические технологии с использованием наномеханических биосенсоров на основе микрокантилеверов или технологии поверхностного резонанса легли в основу инновационных ДНК-чипов, по крайней мере, для проведения специфичного и чувствительного анализа в режиме реального времени. Преимущества оптических биосенсоров главным образом заключаются в высокой скорости проведения анализа с устойчивостью сигнала к электрической или магнитной интерференции, а также потенциальном спектре предоставляемой информации. С другой стороны, основным недостатком является высокая стоимость, обусловленная определенными требованиями к оборудованию. Решение других технических проблем, таких как сложность иммобилизации, в особенности для биопроизводства, и необходимость стерильных условий, является критичным вопросом для получения максимальной пользы от оптических биосенсоров.

Биопроизводство медицинских устройств обеспечивает лучшие результаты с точки зрения массового производства биосенсоров. Электрохимические и оптические биосенсоры являются основными технологическими компонентами при разработке высококлассных биосенсоров. Серьезные достижения в области технологий микро- и нанопроизводства обеспечили возможность разработки механических устройств с движущимися деталями наноразмеров. Возможность производства таких структур с применением процедур обработки полупроводниковых материалов объединила биофизические и биоинженерные принципы в направлении прогресса микро- и наноэлектромеханических биосенсоров, пригодных для массового производства. Материалы на основе стекла, оксида кремния и кварца успешно используются после мечения флуоресцирующими агентами или золотыми наночастицами. Несмотря на то, что такие биосенсоры обладают более высокой точностью при выявлении индивидуальных молекул, их малозатратное массовое производство менее реально. Массовое производство сенсоров связано с рядом проблем, а именно со сложностью более прочного связывания агентов на наноуровне при производстве с помощью микроэлектронных технологий для высокоскоростного анализа. В этом отношении стоит упомянуть огромный потенциал применения полупроводниковых материалов и технологии квантовых точек. На сегодняшний день ни одна из существующих биосенсорных технологий не позволяет в режиме реального времени осуществлять одновременный количественный анализ больших массивов образцов, однако внедрение технологий производства кантилеверов в микро- и наномасштабах может сделать это реальностью.

Еще одним важным техническим переворотов в области биосенсоров стала возможность создания генетически закодированных или синтетических флуоресцентных биосенсоров для анализа молекулярных механизмов биологических процессов. Несмотря на то, что такие биосенсоры имеют огромные перспективы в области выявления отдельных молекул с измерением количества специфичного аналита, методология пробоподготовки и выявления очень сложна и требует высокотехнологичного оборудования. С точки зрения биоматериалов, хорошими характеристиками в плане высокой чувствительности и избирательности обладают биосенсоры, работающие микробиологических топливных элементах. Однако методы массовой продукции и генной инженерии, требующиеся для создания штамма микроорганизмов, очень сложны и затратны. В то же время, преимуществом микробных биосенсоров является возможность их использования в качестве инструмента для биоремедиации, что имеет большую значимость с точки зрения мониторинга состояния окружающей среды. Однако разработка и высвобождение в окружающую среду такого генетически модифицированного штамма микроорганизмов, помимо регулирования затрат на производство, должно подвергаться строгому контролю, соответствовать этическим требованиям, а также регулироваться законодательством.

В целом можно заявлять, что для создания высокочувствительных миниатюрных устройств требуется разработка различных микро- и нанобиосенсорных платформ с вовлечением интегрированных технологий, использующих электрохимический или оптический биоэлектронный принципы с комбинацией биомолекул или биологических материалов, полимеров и наноматериалов.

 

Современные исследовательские тенденции, будущие задачи и ограничения технологии биосенсоров

Интегрированные стратегии с использованием множества технологий, начиная от электрохимических, электромеханических и флюоресцентно-оптических биосенсоров и заканчивая генетически модифицированными микроорганизмами, являются современными методами разработки биосенсоров (таблица 1). Некоторые из этих биосенсоров имеют обширные перспективы применения для применения в диагностике заболеваний и медицине в целом (таблица 2). Потребности в использовании биосенсоров для быстрого экономически целесообразного анализа требуют биопроизводства, что позволит регистрировать биологическую активность на разных уровнях, начиная от клеточного из заканчивая уровнем живого организма, с высокой точностью и пределом чувствительности, стремящимся к отдельным молекулам. Помимо этого биосенсоры должны функционировать в сложных условиях. В данной ситуации требуется как двухмерное, так и трехмерное выявление с использованием сложных преобразователей для индентификации и количественной оценки исследуемых аналитов. В данном отношении было сделано несколько знаковых открытий в области контактного и бесконтактного структурирования на разных уровнях. Целью следующего уровня разработки должно быть создание более стабильных регенерирующих биосенсоров для длительного использования. Если это произойдет, появиться возможность создания новых диагностических биосенсоров, которые помогут врачам и пациентам в давнем стремлении к более интегративному пониманию механизмов развития болезней и эффектов терапии. С этой точки зрения, биосенсор на основе резонансного переноса энергии флуоресценции предоставляет возможность проведения превосходной диагностической процедуры по оценке эффективности терапии иматинибом по поводу хронической миелоидной лейкемии. Современное использование аптамеров, аффител, пептидных матриц и полимеров с молекулярными отпечатками представляет собой классические примеры проспективных исследовательских подходов в данной области. Определенные успехи также достигнуты с рядом потенциальных молекул для доставки новых лекарственных препаратов, в том числе антибиотиков. Разработки в данной сфере привелик появлению электрохимических биосенсоров, являющихся надежными аналитическими устройствами для выявления вируса-возбудителя так называемого птичьего гриппа в сложных средах. Более поздние публикации описывают потенциальное применение основанных на афинности биосенсоров в спортивной медицине и допинг-контроле. Также не так давно были подробно проанализированы возможности применения нательных электрохимических биосенсоров для неинвазивного скрининга электролитов и метаболитов в жидких средах организма в режиме реального времени для оценки состояния здоровья человека. Еще одним интересным направлением применения является оценка качества мясной и рыбной продукции с помощью гипоксантиновых биосенсоров. Разработка биосенсоров для выявления агентов биологического оружия, таких как бактерии, вирусы и токсины, производится с использованием различных технологий, в том числе электрохимической, нуклеиновых кислот, оптической и пьезоэлектрической, что позволит активно применять их не только в военной сфере и здравоохранении, но в области обороны и безопасности. В целом можно сказать, что комбинирование наноматериалов и полимеров с различными типами биосенсоров позволит разрабатывать гибридные устройства для эффективного использования в перечисленных выше отраслях. Помимо этого, научные достижения в области разработки микробных биосенсоров с использованием технологии синтетической биологии внесут большой вклад в мониторинг окружающей среды. Авторы данной статьи особенно подчеркивают важность использования микробиологических топливных элементов в разработке методов очистки и в качестве источника энергии для сенсоров, применяемых в мониторинге окружающей среды. В более широком смысле, авторы описывают различные типы биосенсоров, потенциальные возможности их применения и характеристики, такие как способность регистрировать аналит, время анализа, портативность, стоимость и адаптируемость (таблица 3).

Таблица 1. Список биосенсоров, принципов их работы и областей применения

Тип

Принцип

Области применения

1

Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой

Электрохимия с использованием окисления глюкозы

Анализ уровня глюкозы в биологических образцах

2

HbA1c биосенсор

Электрохимия с использованием ферроценбороновой кислоты

Надежный аналитический метод для анализа гликированного гемоглобина

3

Биосенсор мочевой кислоты

Электрохимия

Для выявления клинический аномалий или заболеваний

4

Биосенсоры на основе ингибирования ацетилхолинестеразы

Электрохимия

Анализ влияния пестицидов

5

Пьезоэлектронные биосенсоры

Электрохимия

Выявления органофосфатов и карбаматов

6

Микротехнологические биосенсоры

Оптические/визуальные биосенсоры с использованием фермента цитохрома Р450

Для разработки лекарственных препаратов

7

Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида)

Оптические/визуальные биосенсоры

Иммобилизация биомолекул

8

Биосенсоры на основе оксида кремния

Оптические/визуальные/флуоресцентные

Биовизуализация, биосенсорное обнаружение и терапия рака

9

Биосенсоры на кристаллах кварца

Электромагнитные

Для разработки ультравысокочувствительных методов выявления белков в жидкостях

10

Биосенсоры на основе наноматериалов

Электрохимические или оптические/визуальные/флуоресцентные

Для разнообразных областей применения, в том числе биомедицины, например, в качестве инструментов для диагностики

11

Генетически закодированные или меченые флуоресцентным агентом биосенсоры

Флуоресценция

Для изучения биологических процессов, в том числе различных внутриклеточных молекулярных систем

12

Биосенсоры на основе микробиологических топливных элементов

Оптические

Для мониторинга биохимической потребности в кислороде и токсичности в окружающей среде, а также токсичности тяжелых металлов и пестицидов

Таблица 2. Применение биосенсоров в диагностике заболеваний

Биосенсоры

Диагностика заболеваний или применение в медицине

1

Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой и HbA1c биосенсор

Сахарный диабет

2

Биосенсор мочевой кислоты

Диагностика сердечно-сосудистых заболеваний и заболеваний общего профиля

3

Микротехнологические биосенсоры

Коррекция зрения

4

Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида)

Регенеративная медицина

5

Биосенсоры на основе оксида кремния

Разработка и применение иомаркеров рака

6

Биосенсоры на основе наноматериалов

Для терапевтического применения

Таблица 3. Типы биосенсоров, области их применения и характеристики

Тип биосенсора

Области применения

Характеристики

Выявление аналитов: единичных (S) или множественных (M)

Режим реального времени (***) и чувствительность (***)

Портативность (да/нет)

Стоимость ($$$$) и возможность адаптации (***)

1

Электрохимический (традиционный/старый)

Диагностика заболеваний

S

Нет и *

Нет

$ и *

2

Электрохимический с применением микротехнологии (современный)

Диагностика заболеваний и мониторинг состояния окружающей среды

S & M

*** и **

Да

$$ и ***

3

Оптический/визуальный/флуоресцентный

Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования

S

*** и ***

Нет

$$$ и ***

4

Оптический/визуальный/флуоресцентный с использованием биопроизводства

Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования

M

*** и ***

Нет

$$$$ и ***

5

Микробный

Производство энергии и изучения состояния окружающей среды

S

* и **

Да

$$ и **

6

Электромагнитный

Биология белков

S

** и **

Нет

$ и *

Разработка биосенсоров преимущественно направлена на обеспечение чувствительности, специфичности, отсутствие токсичности, возможности выявления малых молекул и экономической эффективности. Эти характеристики в конечном итоге позволят достичь требуемых критических параметров и устранить основные ограничения биосенсорной технологии. Некоторые достижения, как это видно по комбинированию электрохимических сенсоров с наноматериалами, приводят к появлению новых типов биосенсоров. С данной точки зрения следует отметить изобретение «электронной кожи», заключающейся в нанесении на поверхность кожи в виде временной татуировки электрохимических биосенсоров для определения содержания в организме химических соединений. В целом более эффективное комбинирование биосенсорного исследования и биопроизводства с методами синтетической биологии, основанное на использовании электрохимических, оптических или биоэлектронных принципов или их комбинации, является ключом к успешной разработки мощных биосенсоров для современной жизни.

 

Ссылки на источники см. в оригинале статьи.

Recent Advances in Biosensor Technology for Potential Applications – An Overview.
S. Vigneshvar et al., Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, 2016. Перевод Евгении Рябцевой.

09.06.2017 Источник: vechnayamolodost.ru