Современное значение биосенсоров в медицине



За прошедшее время наиболее ужасные трагедии человечества были связаны с пандемией и распространением инфекций. Бактериальные и вирусные инфекционные заболевания с фекально-оральным механизмом передачи ежегодно уносят жизни примерно 2 миллионов человек. Это в свою очередь привело к созданию и развитию биосенсоров. В последние годы появившиеся и активно развивающиеся технологии биосенсоров служат инновационными платформами для анализа биомаркеров инфекционного процесса, которые обладают доступной, быстрой и надежной работой, а также высоко специфическими и чувствительными средствами для своевременной и правильной диагностики бактериальных и вирусных заболеваний. Биосенсоры используются во многих областях, таких как сельское хозяйство и пищевая промышленность, мониторинг окружающей среды, биотехнологии, генная инженерия, фармакология, промышленность и, главным образом, медицина и здравоохранение. Наиболее перспективное их применение — в медицине и биомедицинской диагностике [1; 2]. Эта медико-санитарная проблема может стать решением при лечении хронических заболеваний, таких как диабет, рак, сердечно-сосудистые заболевания, респираторные заболевания, инсульт, ожирение и других. Благодаря развитию нанотехнологии можно наблюдать значительное уменьшение размеров биосенсоров и увеличение их точности. Это привело к расширению использования биосенсоров в медицинской сфере. Определение биомолекул, таких как антигены, антитела и ДНК, посредством наночастиц играет важную и растущую роль в развитии электрохимических биосенсоров.

Ключевые слова: биосенсор, биомедицина, молекулярная биология, нано технология, интеграция, диагностика, ДНК, углеродные нано трубки, ферменты.

Введение

В последние столетия человечество столкнулось с наиболее ужасными трагедиями, связанными с пандемиями и распространением инфекций, которые унесли жизни сотен миллионов людей. Несмотря на очевидные успехи глобальной системы здравоохранения, риск эпидемий известных, новых и повторяющихся инфекций остается серьезной угрозой для населения мира [3]. Бактериальные и вирусные инфекционные заболевания с фекально-оральным механизмом передачи ежегодно уносят жизни примерно 2 миллионов человек. Недавние вспышки ближневосточного респираторного синдрома, тяжелого острого респираторного синдрома и гриппа H5N1, а также увеличение устойчивости бактерий к антимикробным препаратам усилили необходимость поиска ранних и эффективных диагностических средств. Расширение знаний о сложных биохимических процессах, лежащих в основе патогенеза инфекционных процессов, обусловило необходимость разработки более чувствительных и точных стратегий диагностики.

Это, в свою очередь, привело к созданию средств, основанных на выявлении молекулярных маркеров, профилировании без выращивания микроорганизмов, обогащении и выделении чистых культур — то есть биосенсоров. Недавние и активно развивающиеся технологии биосенсоров служат инновационными платформами для анализа биомаркеров инфекционных процессов, обладающими возможностью недорогой, быстрой и надежной работы, а также высоко-специфическими и чувствительными средствами для своевременной и правильной диагностики бактериальных и вирусных заболеваний [4]. Экономическая целесообразность и удобство использования этих портативных аналитических систем полностью соответствуют современной глобальной концепции .

С начала 21-го века биосенсоры стремительно развиваются благодаря впечатляющим достижениям в области молекулярной биологии и нано технологий. За последние 10–15 лет исследования и разработки этих высокоселективных аналитических устройств, стали популярным и одним из наиболее активно развивающихся биотехнологических трендов. Биосенсоры находят применение в сельском хозяйстве и пищевой промышленности, экологическом мониторинге, биотехнологии, генетической инженерии, фармакологии и, в основном, в медицине и здравоохранении благодаря своей способности решать ряд аналитических задач [5; 7]. В сельском хозяйстве биосенсоры применяются в виде ферментативных биосенсоров для определения пестицидов, орган фосфатов и карбонатов, микробных биосенсоров для измерения метана и аммиака, а также бактериальных биосенсоров для контроля качества сточных вод. В пищевой промышленности биосенсоры используются для измерения аминокислот, углеводов, неорганических ионов, спиртов, кислот и других веществ [6].

Несмотря на многочисленные области применения, наиболее перспективное использование биосенсоров связано с медициной и биомедицинской диагностикой, поскольку существует необходимость в новых и усовершенствованных устройствах с чувствительностью, специфичностью, надежностью и биосовместимостью для диагностики, мониторинга и лечения различных заболеваний. Эти потребности связаны с решением медицинских и здравоохранительных проблем, включая хронические заболевания, такие как диабет, рак, сердечно-сосудистые заболевания, респираторные заболевания, инсульт, ожирение и другие.

Таким образом, измерения в области здравоохранения связаны с контролем таких метаболитов крови, как глюкоза, лактам и карбамид, а также биомаркеров рака, фолиевой кислоты, биотина, витамина B ₁₂ и пантотеновой кислоты. Разработчики биосенсоров уделяют большое внимание созданию устройств, для здравоохранения. Эта технология широко используется в больницах, так как она может отслеживать артериальное давление, уровень глюкозы и частоту сердечных сокращений. Технология также полезна для врачей, которые проводят диагностические тесты в режиме реального времени [8]. Первое внедрение биосенсоров в медицину произошло в 1962 году, когда Леланд Кларк и Чемп Лайонс разработали амперометрический ферментный электрод для глюкозного сенсора. Эти платиновые электроды определяли концентрацию кислорода в окружающей среде путем измерения изменения ферментативной активности глюкоз оксидазы, заключенной в мембране диализа на электроды, в зависимости от концентрации кислорода. С тех пор глюкозные биосенсоры остаются наиболее широко распространенными, и с целью улучшения чувствительности, селективности и многоканальности для медицины были разработаны многие другие биосенсоры.

Еще одной особенностью биосенсоров является их интеграция с цифровыми таблетками. Пациент принимает таблетку, которая активируется желудочным соком. Компания “Gilad” разработала такую таблетку для лечения ВИЧ. После ее приема пациент получает уведомление на смартфоне, а биосенсоры передают данные в облако. Требование постоянного мониторинга жизненных показателей направлено на решение проблем, связанных с обычной необходимостью госпитализации и наблюдения за пациентом [9]. В связи с этим были проведены исследования по разработке и созданию медицинских приборов для имплантации и ношения на коже. В этих устройствах часто отслеживаются электрические сигналы сердца, артериальное давление, частота сердечных сокращений, уровень глюкозы в крови и эффективность дыхания. Эти достижения обеспечивают пациенту свободу передвижения и постоянный поток диагностических данных для медицинского мониторинга. В последнее время растет интерес к использованию биосенсоров в тканевой инженерии, особенно в микро флюидных тканевых инженерных моделях, поскольку они помогают обнаруживать специфические биологические молекулы в миниатюрных тканевых конструкциях в режиме реального времени с помощью сверхчувствительных оптических, электрохимических или акустических систем.

В медицине и биомедицине биосенсоры должны быть очень точными, надежными и обладать высокой долгосрочной стабильностью при минимальных колебаниях, а также быть устойчивыми к механическим нагрузкам, возникающим в результате пульсирующего кровотока. Кроме того, имплантируемые или носимые медицинские устройства также должны быть компактными, чтобы избежать дискомфорта для пациента и больших размеров, особенно при работе в ограниченных пространствах, таких как кровеносные сосуды, легкие или мозг [10]. Кроме того, биосенсоры не должны влиять на измеряемую среду или благополучие пациента. Несмотря на технологические сложности, общая черта имплантируемых и носимых устройств заключается в том, что они позволяют собирать данные о жизненных показателях (таких как частота сердечных сокращений, частота дыхания, температура кожи) и в конечном итоге обеспечивать мониторинг здоровья пациентов в течение длительного времени. Применение быстрых, чувствительных и недорогих автономных сенсоров в лабораторной практике ожидается в ближайшем будущем, что приведет к появлению самых передовых достижений в различных биотехнологических областях, включая здравоохранение. Биосенсоры показали огромные возможности для использования в медицинской лабораторной диагностике, а также для мгновенного выявления нескольких признаков бактериальных и вирусных инфекций в режиме реального времени. Микроорганизмы состоят из широкого спектра макромолекул, обладающих электрохимический активными группами, которые могут вступать в реакцию с электронами поверхности электродов. Контроль этих процессов с помощью физических и химических методов позволяет выявлять и исследовать инфекционные патогены. В этом случае изменения температуры и pH используются в качестве дополнительных аналитических данных [5.11]. Благодаря этим свойствам биосенсоры рассматриваются как мощная диагностическая технология для выявления инфекционных заболеваний на ранней стадии, мониторинга развития патологических процессов и проведения эпидемиологических исследований в рамках стратегий медицинской помощи.

Поскольку планы лечения и диагнозы являются важными факторами прогноза заболевания, разработка инновационных стратегий для целевых областей и задач, которые не могут быть решены этими общепринятыми методами в медицине, является крайне важной. Эта потребность стала основой для развития нано электроники. Развитие современной электроники и нано электроники привело к совершенствованию биосенсоров. Благодаря развитию нано технологий размеры биосенсоров значительно уменьшились, а их точность возросла. Это расширило масштаб использования биосенсоров в медицинской сфере. Определение биомолекул, таких как антигены, антитела и ДНК, с использованием нано частиц играет важную и растущую роль в развитии электрохимических биосенсоров. Биомолекулы, маркированные нано частицами, сохраняют свою биологическую активность. После связывания рецепторов, а налита и нано частиц для электрохимического определения концентрации, а налита, проводится определение его концентрации. Расплавление маркеров нано частиц (в основном металлических и полупроводниковых) и измерение растворенных ионов методом вольта метрии позволяет количественно определять, а налиты как мощный аналитический метод измерения воздействия металлов. Нано электронные биосенсоры являются частью общепринятого термина нано терапевтические решения [10]. Эти электронные решения были разработаны в сотрудничестве многопрофильных команд высококвалифицированных специалистов, включающих механиков, электриков, врачей, ученых, биоинженерии, биохимиков и физиков.

Преимущества сокращения компонентов системы биосенсоров включают в себя возможность одновременного измерения нескольких биомаркеров или последовательностей ДНК через биочипы, объединяющие до 100 сенсоров на каждый квадратный миллиметр, мгновенное получение результатов от образца, потребность в менее чем 1 мКл для каждого измерения, что снижает стоимость анализа, и высокий коэффициент сигнала к шуму, позволяющий онлайн-обнаружение даже небольших количеств молекул [12]. Нано электронные биосенсоры обычно состоят из нано нитей с высокой проводимостью. Эти биосенсоры разрабатываются для обеспечения эффективной передачи электрических сигналов от датчиков, находящихся внутри тела, к удаленному устройству, используемому врачом для мониторинга и выявления клеточной активности. Исследователи обнаружили, что из-за простого и эффективного дизайна нано сенсоры могут быть изготовлены из различных типов нитей, таких как кремниевые нано нити. Этот вид нитей представляет собой однослойную углеродную нано трубку, что расширяет возможности нано электронных биосенсоров для более быстрого определения целей биосенсоров. Нано электронные биосенсоры на основе графина также используются в качестве основного альтернативного материала [11]. Например, графин является аллотропом углерода с превосходными электрическими и электронными свойствами, обеспечивающими высокую подвижность заряда, настраиваемую проводимость и хорошее амбиполярное поле. Кроме того, графин имеет высокое отношение площади поверхности к объему, что делает его перспективным для использования в нано электронике.

В заключение можно сказать, что биосенсоры — это устройства, способные выявлять целевые вещества для анализа в образце. Они состоят из биорецепторов и преобразователей, ответственных за создание определенного сигнала. Биосенсоры могут использоваться в различных областях, но наиболее привлекательное применение — в мониторинге состояния здоровья. Они могут быть использованы для ранней диагностики и постоянного мониторинга заболеваний с высокой смертностью, таких как рак и сердечно-сосудистые заболевания, что значительно снижает уровень смертности и улучшает качество жизни пациентов. Кроме того, исследования в области нано биосенсоров направлены на разработку инновационных технологий для выявления и мониторинга в биомедицине, биохимии, экологии, сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Кроме того, благодаря развитию нано технологий открываются новые горизонты для нано биосенсоров, поскольку они могут быть миниатюризированы до размеров, подходящих для использования внутри клеток микро размеров. Особое внимание следует уделить изучению различных специфических эффектов, присущих синтезу нано структурированных материалов, таких как размеры, квантовый размер и поверхностные эффекты, которые являются наиболее привлекательными чертами этого направления.

Литература:

1. Daniela Rodrigues, Ana I. Barbosa, Rita Rebelo, Il Keun Kwon, Rui L. Reis, Vitor M. Correlo ,,Skin-Integrated Wearable Systems and Implantable Biosensors: A Comprehensive Review’’
2. M. I. Bazarbayev, I.
3. Abid Haleem, Mohd Javaid, Ravi Pratap Singh, Rajiv Suman, Shanay Rab -,, Biosensors applications in medical field: A brief review’’, Sensors Intermational.
4. B. G. Andryukov, MD, DSc, I. N. Lyapun, PhD, E. V. Matosova, and L. M. Somova, MD, DSc — ‘‘Biosensor Technologies in Medicine: from Detection of Biochemical Markers to Research into Molecular Targets’’ Sovrem Tekhnologii Med. 2020; 12(6): 70–83
5. Xiaoping Huang a, Yufang Zhu b, Ehsan Kianfar -,,Nano Biosensors: Properties, applications and electrochemical techniques’’. Journal of Materiala Research and texnalogy
6. Madhusudan B. Kulkarni, Narasimha H. Ayachitand, Tejraj M. Aminabhavi. ,,Recent advances in nanobiosensors: current trends, challenges, applications and future scope’’. Biosensors2022
7. N. F. Zikrillaev, O. B. Tursunov, G. A. Kushiev. “Development and Creation of a New Class of Graded-Gap Structures Based on Silicon with the Participation of Zn and Se Atoms”. ISSN 1068–3755, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, Vol. 59, No. 5, pp. 670–673. © Allerton Press, Inc., 2023
8. Isakov, B., Hamrokulov, S., Abdurakhmonov, S. and Abdurakhmonov, H., 2023. Doped silicon with gallium and antimum impurity atoms. Science and innovation, 2(A5), pp.255–261.
9. Zikrillaev, N. F., Kushiev, G. A., Hamrokulov, S. I., & Abduganiev, Y. A. //Optical Properties of Ge _x Si _1-x Binary Compounds in Silicon. Journal of Nano-and Electronic Physics, 15(3). (2023) DOI: 10.21272/jnep.15(3).03024.
10. Iliyev, X.M., Isamov, S.B., Isakov, B.O., Qurbonova, U.X. and Abduraxmonov, S.A., 2023. A Surface Study of Si Doped Simultaneously with Ga and Sb. East European Journal of Physics, (3), pp.303–307.
11. Iliyev.X, Xudoynazarov. Z, Isakov.B, Uralbayev. X, & Kushiev.G. (2023). Impurity of atoms of manganese diffusion by outside electric field into silicon. Science and innovation, 2(A8), 107–111.
12. B. Isakov, Z. Xudoynazarov, G. Kushiev, A. Sattorov, F. Abduqahhorov, 2023. Thermodynamic conditions for the formation of GaSb binary compound in Si sample. Science an innovation,2(A10),pp.29–34