Инновации 16 ноября 2022

Уральскому сенсору фермент не нужен

Ученые Уральского федерального университета (УрФУ) разрабатывают новое сенсорное устройство для определения уровня холестерина в крови. Вместо природных белковых соединений — ферментов — система использует их неорганические аналоги. Это позволит удешевить процесс создания измерителей холестерина и сделать проверку крови проще и быстрее
Уральскому сенсору фермент не нужен
В микроячейке происходит электрохимическая реакция, результат которой регистрируют с помощью потенциостата подключеннного к компьютеру, который показывает уровень концентрации холестерина
Родион Нарудинов / УрФУ

С ейчас количество холестерина в крови определяют с помощью колориметрии, хроматографии и ферментов. В этих методах используют либо крайне агрессивные реагенты, либо сложное и дорогостоящее оборудование, либо биосенсоры, где в качестве распознающих и чувствительных элементов, определяющих уровень холестерина, применяются ферменты — биологические молекулы, которые добывают из живых организмов. Например, фермент холестериноксидаза производится некоторыми видами бактерий.

«Процесс анализа удешевляется и упрощается за счет того, что мы не используем эти природные ферменты, — рассказал “Стимулу” один из авторов исследования, доцент кафедры аналитической химии УрФУ Андрей Охохонин. — Нет необходимости их специально выделять, создавать на их основе тест-полоски. Ферменты, так как это белковые молекулы, требуют довольно жестких условий хранения. При несоблюдении этих условий они могут потерять чувствительность, и результат теста при их использовании может оказаться ошибочным».

Присутствует в каждой клетке

Холестерин представляет собой жирный спирт, он входит в состав всех тканей и играет ключевую роль в метаболизме высших животных, в том числе человека. Это вещество выполняет множество важных функций в синтезе стероидных гормонов и желчных кислот. Холестерин является обязательным компонентом клеточных мембран, он отвечает за упорядочивание, компактность и устойчивость липидного биослоя. Кроме того, он участвует в регуляции проницаемости клеточных стенок, определяя, какие молекулы могут проникать внутрь клетки, а какие — нет.

Однако повышенный уровень холестерина в крови является симптомом ряда заболеваний, таких как атеросклероз, наследственные заболевания (семейная, полигенная гиперхолестеринемия, комбинированная гиперлипидемия, наследственная дисбеталипопротеинемия), хроническая почечная недостаточность, нефроптоз, гипертония, болезни печени (острые и хронические гепатиты, внепеченочные желтухи, цирроз печени), заболевания поджелудочной железы (злокачественная опухоль поджелудочной железы, острый и хронический панкреатит).

Холестерин нерастворим в воде и в чистом виде не может доставляться к тканям организма при помощи основанной на воде крови. Холестерин в крови находится в виде хорошо растворимых комплексных соединений с особыми белками-транспортерами, так называемыми аполипопротеидами. Такие комплексные соединения называются липопротеидами. Существует несколько видов аполипопротеидов, различающихся молекулярной массой, степенью сродства к холестерину и степенью растворимости комплексного соединения с холестерином (склонностью к выпадению кристаллов холестерина в осадок и к формированию атеросклеротических бляшек). Различают следующие группы: высокомолекулярные (HDL, ЛПВП, липопротеиды высокой плотности) и низкомолекулярные (LDL, ЛПНП, липопротеиды низкой плотности), а также очень низкомолекулярные (VLDL, ЛПОНП, липопротеиды очень низкой плотности) и хиломикрон. ЛПВП — это так называемый хороший холестерин, он на стенках сосудов не осаждается, ЛПНП и ЛПОНП — это «плохой» холестерин, он может осаждаться на стенках сосудов и закупоривать их. Сам холестерин как молекула может быть свободным, то есть не связанным химической связью с другими молекулами, а может быть эстерифицированным, то есть в виде сложных эфиров с другими молекулами.


ОХОХОНИН.jpg
Один из разработчиков устройства для определения уровня холестерина в крови, доцент кафедры аналитической химии УрФУ Андрей Охохонин
Родион Нарудинов / УрФУ

Сделать проще и дешевле

Аналитическое компактное устройство, которое дает информацию о присутствии в образце (растворе, крови) того или иного компонента, называется биосенсором. Главная особенность любого биосенсора — наличие элемента природного происхождения. Это могут быть живые клетки, части клеток, какие-либо органоиды, ферменты, антитела, молекулы ДНК. Такие устройства уже несколько десятков лет успешно разрабатываются и помогают нам в повседневной жизни.

Яркий пример — глюкометр, который определяет уровень глюкозы в крови. Капля крови помещается на тест-полоску, и прибор показывает количество глюкозы. Биосенсоры похожего действия есть и для измерения уровня холестерина, других веществ, количество которых необходимо определять в организме.

magnifier.png Для измерения уровня холестерина с помощью нового устройства в перспективе будет достаточно небольшого количества крови. Она будет помещаться в анализирующий чип, содержащий раствор хлорида меди в ацетонитриле

Но у ферментов — основы этих сенсоров — есть серьезный недостаток. Поскольку они имеют белковую природу, их нельзя синтезировать в лаборатории, эти вещества необходимо выделять из живых организмов. Процесс это довольно трудоемкий, что сильно сказывается на цене ферментов и стоимости самих биосенсоров. Поэтому сейчас очень актуальна задача найти в качестве замены природным ферментам такие вещества, которые можно было бы легко синтезировать в лаборатории, а в перспективе и на предприятиях, чтобы создавать массовый продукт в виде сенсоров для определения холестерина, глюкозы и других компонентов.

«Мы решили подобрать небиологический аналог используемого фермента, чтобы сделать процесс анализа на холестерин дешевле, проще и быстрее, — рассказывает Андрей Охохонин. — У нас есть ряд публикаций по определению холестерина. Там мы исследовали, в частности, хлорид кобальта, наночастицы серебра, золота, палладия. Все они имеют как достоинства, так и недостатки. В новой работе мы сосредоточились на хлориде меди. Это довольно доступный, дешевый материал. И в результате нашей работы мы первыми выяснили, что он проявляет высокую чувствительность по отношению к холестерину».

Сенсор, разработанный специалистами УрФУ, — электрохимический, и медь выступает в качестве медиатора. На электроде с помощью электрического тока сначала восстанавливается, потом окисляется хлорид меди, и если в ходе этого циклического процесса окисления-восстановления к системе добавить холестерин, то окисленная медь сама становится сильным окислителем, окисляет холестерин, и нужный сигнал в виде прироста тока окисления катализатора поступает на прибор под названием потенциостат. Момент, когда холестерин окисляется, виден на экране компьютера, который подключен к потенциостату.

Бесферментные перспективы

Для измерения уровня холестерина с помощью нового устройства в перспективе будет достаточно небольшого количества крови. Она будет помещаться в анализирующий чип, содержащий раствор хлорида меди в ацетонитриле. В этот чип интегрирован электрод, который подключается к вольтамперометрическому анализатору, выдающему результаты анализа. Достоинство нового чипа заключается также в том, что в нем содержатся магнитные наночастицы с полимерами с молекулярными отпечатками, которые избирательно сорбируют холестерин, отсеивая любые другие вещества, характерные для состава крови.

«Полимеры с молекулярными отпечатками необходимы для того, чтобы эффективно отделять холестерин от других веществ, содержащихся в крови. Попробовав несколько вариантов, мы выбрали в качестве сшивающего агента этиленгликольдиметакрилат, а в качестве функционального мономера — винилпиридин. Синтезированный на поверхности магнитных наночастиц полимер эффективно сорбирует холестерин, поэтому мы можем говорить о высокой селективности анализа, так как никакие другие вещества не мешают», — подчеркнул Андрей Охохонин.

magnifier.png У ферментов — основы этих сенсоров — есть серьезный недостаток. Поскольку они имеют белковую природу, их нельзя синтезировать в лаборатории, эти вещества необходимо выделять из живых организмов

Микрофлюидный чип, в который интегрированы все элементы системы, печатается на 3D-принтере, что также облегчает процесс производства устройства, делает его быстрее. Ученые отмечают, что первую проверку они провели не на биологических образцах, а на модельных растворах, которые имитируют сыворотку крови. Следующий этап работы исследователей — проверка системы на реальных образцах крови. Кроме того, прибор уральских специалистов определяет пока только свободный холестерин, и задача ближайшего будущего — научиться замерять уровень эстерифицированного холестерина.

Исследователи кафедры аналитической химии Научно-образовательного и инновационного центра химико-фармацевтических технологий УрФУ под руководством директора центра Алисы Козициной уже несколько лет занимаются разработкой бесферментных сенсоров для определения целого ряда биологически значимых веществ, таких как глюкоза, мочевина, креатинин.

Сотрудники коллектива уверены, что бесферментый способ со временем станет одним из основных. «Запрос на подобные разработки на мировом рынке очень большой, — говорит Андрей Охохонин, — исследования в этой области ведутся по всему миру, и природные ферменты в сенсорах рано или поздно будут заменены на синтетические аналоги».

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант №20-13-00142).

Результаты исследования представлены в Journal of Electroanalytical Chemistry.

Темы: Инновации

Еще по теме:
09.12.2022
Компания «Конкордия» из подмосковного Дмитрова разработала пилотный образец коммунальной машины «Апис» (в переводе с...
30.11.2022
Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) разработали уникальную установку для изготовления иск...
29.11.2022
Мировая инновационная практика показывает, что лучшие кластеры и технопарки создаются органично, на основе десятилетиями...
24.11.2022
Испытания первого российского морского робота начнутся весной 2023 года в акватории Каспийского моря. Он может патрулиро...
Наверх