Физика/ 4. Применение физических методов в медицине

 

Д.В. Колесов1, д.м.н. Е.В. Силина2, д.м.н. В.А. Ступин3, д.ф-м.н И.В. Яминский4

1ФГБНУ «Научно-исследовательский институт общей патологии и патофизиологии», г. Москва

2ГБОУ ВПО «Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова» Минздрава России, г. Москва

3ГБОУ ВПО «Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова» Минздрава России, г. Москва

4МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва

 

Детектирование С-реактивного белка с помощью микромеханических кантилеверных преобразователей для разработки технологии ранней диагностики заболеваний по анализу слюны человека

 

Введение

Актуальность разработок инвазивных устройств для длительного дистанционного контроля состояния сердечно-сосудистой системы обусловлена удручающей картиной роста сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ), которые вносят основной вклад в популяционную смертность и снижение экономической активности населения, приводя к увеличению затрат на здравоохранение и снижению ВВП. Ежегодно от ССЗ умирают 17 млн человек, при этом мировая смертность от ССЗ составляет от 30% всех смертельных случаев в странах с высоким уровнем дохода до 80% в развивающихся странах [1,3,5].

Острые сердечно-сосудистые патологии являются одной из основных причин смертности в России. Их ранняя диагностика позволит существенно снизить неблагоприятный прогноз благодаря своевременному оказанию помощи пациенту. С-реактивный белок (СРБ) является одним из маркеров острого инфаркта миокарда. Его концентрация в крови и других биологических жидкостях пациента существенно повышается в первые часы развития патологии.

В Российской Федерации несмотря на многочисленные мероприятия, в том числе Федерального масштаба, сосудистая смертность в 2 раза выше, чем, в Евросоюзе. Это свидетельствует о невозможности решить проблему имеющимися организационными или медицинскими средствами. Технологичным путем решения данной проблемы станет создание устройства для диагностики заболеваний, в том числе для ранней диагностики заболеваний сердечно-сосудистой системы на основе анализа состава слюны, привлекательность которой обусловлена рядом причин. Перспективным в данном направлении является создание кантилеверных сенсоров в виде микрофлюидных чипов [7,8].

Прямые сенсорные методы, такие как метод микромеханических преобразователей, позволяют осуществлять непрерывный мониторинг белков-маркеров в жидких средах. Принцип действия микрокантилеверных сенсоров основан на возникновении изгиба тонких кремниевых консолей – кантилеверов – под действием латеральных напряжений, возникающих при специфическом связывании аналита из образца с рецепторным слоем на поверхности датчика.

Цель работы - демонстрация возможности использования кантилеверных датчиков для создания устройства для прогнозирования и раннего обнаружения заболеваний на основе анализа состава слюны человека посредством имплантируемых биосенсорных средств.

Результаты.

Для реализации поставленной цели была разработана установка, позволяющая в режиме реального времени детектировать малые концентрации белков в специфических жидких средах [2,4,6]. Для этого адаптирована экспериментальная установка, позволяющая измерять отклонения кремниевых кантилеверов с течением времени. Кантилеверы устанавливаются в проточную жидкостную ячейку, имеющую прозрачное окно для введения луча лазера, имеющего форму пятна в фокальной плоскости в виде тонкой линии, юстируется с помощью системы зеркал на концы консолей обоих кантилеверов. При отклонении кантилевера от положения равновесия соответствующий луч перемещается по матрице. Специализированное программное обеспечение позволяет следить за положением обоих пятен на детекторе. Результатом измерений являются графики зависимости положения обоих кантилеверов с течением времени, а также разностный сигнал. При специфическом связывании веществ из раствора с рецепторным слоем на поверхности кантилевера графики представляют собой кинетические кривые сорбции аналита. Через проточную ячейку с помощью шприцевой помпы может непрерывно прокачиваться исследуемая среда.

Проведен ряд экспериментов по детектированию различных концентраций СРБ в буферном растворе. Измерения проводились на микромеханической кантилеверной системе БиоСкан (ООО «Академия Биосенсоров», Россия) с использованием коммерческих кантилеверов Arrow TL1 (Nanoworld, Швейцария). В качестве рецепторных молекул были использованы мышиные моноклональные антитела к СРБ (Биалекса, Россия). На рисунке 1 представлены кинетические кривые, показывающие относительное отклонение свободных концов консолей кантилеверов с течением времени в растворах с различной концентрацией СРБ. Максимальное отклонение затем было пересчитано с поверхностное напряжение независящее от параметров датчика (Рис.2).

Рис.1. Пример кинетических кривых соответствующих различным концентрациям СРБ в растворе.

Рис.2. Зависимость результирующего поверхностного напряжения от концентрации СРБ в растворе.

Заключение.

Таким образом, микромеханические сенсоры могут служить основой для создания неинвазимных автономных сенсорных устройств для непрерывного мониторинга состояния сердечно-сосудистой системы. Разрабатываемая система позволит повысить качество и скорость диагностики различных сердечно-сосудистых заболеваний и предупредить их прогрессирование, что в итоге позволит сохранить жизни и снизить затраты бюджета.

Благодарности. Настоящая работа выполнена при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (РФФИ) № 13-04-12092.

Список литературы

1.       Долгалев И.В., Карпов Р.С. Стабильность факторов риска сердечно-сосудистых заболеваний по результатам 17-летнего наблюдения. Российский кардиологический журнал, 2015-№1.-С.67-71.

2.       Колесов Д.В., Яминский И.В., Силина Е.В., Ступин В.А. Разработка устройства для ранней диагностики заболеваний на основе анализа состава слюны методом микрокантилеверных сенсоров. Инновации и инвестиции, 2015, №7. С.135-141.

3.       Оганов Р.Г., Беленков Ю.Н. Кардиология. Национальное руководство. М.: ГЭОТАР-Медиа, 2010; 1232 с.

4.       Силина Е.В., Ступин В.А. Детектирование изменений состава слюны при развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Терапевт, 2014, №11 - С.45-49.

5.       Appel LJ, Frohlich ED, Hall JE, et al. The importance of population-wide sodium reduction as a means to prevent cardiovascular disease and stroke: a call to action from the American Heart Association. Circulation2011;123(10):1138-1143.

6.       Ivanov M.A., Mikhaylov D.M., Starikovskiy A.V., Stupin V.A., Silina E.V. Prediction and early detection of diseases based on analysis of human saliva composition using implantable biosensor systems. Biology and Medicine (2014) - 6(3), Article ID: BM-044-14, 4 pages.

7.       Johansson A., Blagoi G., Boisen A. Polymeric cantilever-based biosensor with integrated readout // Applied Physics Letters 2006, 89(17), 173505-173505-3.

8.       Li X.-J. J., Zhou Y. Microfluidic Devices for Biomedical Applications // Woodhead Publishing, 2013, 676 Pages.