Микитюк О.Ю., Микитюк О.П.

Вищий державний навчальний заклад України

«Буковинський державний медичний університет»

БІОСЕНСОРИ У МЕДИЧНІЙ НАНОДІАГНОСТИЦІ

Масштаби фізичної довжини від 1 до 100 нм відносять до поняття «нано». В межах цього діапазону знаходяться більшість атомів і молекул, що становлять інтерес для медицини. Якщо взяти макроскопічний матеріал і зменшувати його до нанометрового розміру, то більшість з його атомів буде лежати на поверхні наноструктури і всі фізичні властивості зміняться. Переваги нових властивості наноматеріалів сприяють використанню цих матеріалів у медицині для покрашення здоров'я людини. Область для медичних застосувань наноматеріалів і нанотехнологій для більшого прогресу і проривів у діагностиці, лікуванні та профілактиці захворювань, що характеризується бурхливим розвитком, отримала назву наномедицина. Нанотехнології і наноматеріали мають широкий спектр медичних застосувань.

У медичній діагностиці наноматеріали відіграють важливу роль у створенні ефективних біосенсорів, які можуть з максимальною точністю і чутливістю аналізувати найдрібніші деталі біологічних взаємодій. Невеликі за розміром наночастинки долають обмеження мініатюризації, що призводить до зниження меж виявлення, навіть отримання результатів для зепто-молярних концентрацій. Біодатчики на основі наноматеріалів не тільки відрізняються високою чутливістю, а також меншою цитотоксичністю і тривалою стабільністю для раннього скринінгу біомаркерів. В основі такого аналізу лежить механізм трансдукції, який використовуючи енергію певної біохімічної реакції відповідає за перетворення відповіді біоаналітичних взаємодій в електричну форму.

Розглянемо фізичні основи роботи нанобіосенсорів. Основними компонентами біосенсора є біорецептор, датчик і детектор. Основною функцією біосенсора є здатність відчувати біологічні специфічні матеріали, такі як антитіла, білки, ферменти, імунологічні молекули та ін. Датчики, які забезпечують перетворення біохімічного сигналу в електричний сигнал, можуть бути електрохімічними, п'єзоелектричними, оптичними і калориметричними. Біорецептор біосенсора знаходиться в щільному контакті з відповідним перетворювачем. Біорецептор дає підсилений сигнал про біохімічну реакцію потрібного аналіту, який отримується датчиком. Датчик перетворює отриману інформацію у електричний сигнал. Ця реакція між біомолекулами і субстратом виробляє електрохімічний, тепловий, у вигляді світла чи звуку сигнал, а потім саме датчик певного виду подає результат в добре інтерпретованих даних.

Нанобіосенсори можна класифікувати відповідно до типу і характеру наноматеріалів, які беруть участь в підсиленні і збільшенні чутливості механізму. Наприклад, всі датчики на основі біосенсорів використовують металеві наночастинки як підсилювачі агентів біохімічних сигналів. Також нанобіосенсорами називаються датчики на основі вуглецевих нанотрубок, які є підсилювачами реакційної специфічності з використанням нанодротів, що переносять носії заряду (нанодротові біосенсори). Зокрема, біосенсори на основі кремнієвих нанодротів, легованих бором, є ефективними для виявлення біологічних і хімічних часток. Крім того, існують датчики на основі квантових точок (штучних атомів), які використовують ці точки як контрастні агенти для покращення якості оптичних відповідей. Наноматеріали з унікальними оптичними властивостями, такими як квантові точки з різними довжинами хвиль випромінювання, можуть бути збуджені єдиним джерелом, в той час як органічні барвники з різними довжинами хвиль випромінювання повинні бути збуджені декількома різними джерелами. Для збудження квантових точок наявність лазерного випромінювання не є обов’язковою. Оптичні волокна з нанорозмірними діаметрами, що покриті антитілами, використовують для виявлення присутності токсинів в межах однієї клітини. Є повідомлення, що одномірна архітектура, яка містить щонайменше 200 незалежних електричних вузлів нанодроту, була ефективно використана для виявлення низького рівня плазмових антигенів раку кістки.

Вимоги для одночасного виявлення декількох мішеней в одному аналізі призводять до потреби створення нових неорганічних нанокристалів на основі флуоресцентних зондів для заміни органічних флуорофорів.

Вже існують численні клінічні додатки, які пов'язані з буденним використанням нанобіосенсорів. Ці програми включають в себе виявлення глюкози у пацієнтів з цукровим діабетом, який виявляється у бактеріальних інфекціях сечових шляхів, виявлення ВІЛ-СНІДу та діагностики раку. Останні досягнення в галузі медичного зондування пов'язані з розробкою біосенсорів глюкози, які використовують нанотрубки як імобілізаційні поверхні для ферменту глюкозооксидази. Цей фермент використовується для оцінки глюкози з декількох рідин організму. Традиційно, датчики з використанням ферментів передбачали наявність глюкози в основних тканинах тіла, але використання нанотрубок в якості пристрою для іммобілізації привело до можливості оцінки глюкози з таких рідин організму, як сльози і навіть слина. В одному такому пристрої були ефективно використані одношарові нанотрубки для ферментативного виявлення глюкози.

Перспективи застосування біосенсорів на основі конкретних потреб клінічної діагностики очікуються в наступних областях: вивчення прямого перенесення електронів в окислювально-відновних реакціях білків і ферментів; оптимізація досліджень молекулярних взаємодій; підвищення продуктивності діагностики мікро- і нанометрового масштабу; розробка біосенсорів для цільної крові; створення захисної оболонки біосенсорів для досліджень in vivo; моніторинг біля ліжка хворого; домашні тест-набори.

Таким чином, медичні застосування нанобіосенсорів є універсальними і багатофункціональними. Наноматеріали і нанотехнології дуже важливі для розвитку сенсорних технологій і покращення діагностичних можливостей. Вони також забезпечують більш швидку діагностику, що дозволяє швидше отримувати протоколи аналізу і оцінки і, таким чином, біосенсори зробили революцію в біозондуванні організмів.