Валерия Касимовская, участник исследования
© Мария Комкова
Ученые адаптировали наиболее чувствительные и селективные глюкозные биосенсоры для работы в межклеточной жидкости и крови больных диабетом. В таких средах содержится слишком мало кислорода, который нужен для измерений, и авторы решили эту проблему: они в 10–20 раз уменьшили количество закрепленного на поверхности сенсора фермента, взаимодействующего с сахаром. Датчик работает в импульсном режиме: за 15 секунд на поверхности электрода накапливается продукт ферментативной реакции между глюкозой и кислородом — перекись водорода, — который затем регистрируется на электроде. Благодаря этому устройство сочетает высокую точность измерений и чувствительность. Эксперименты на крысах подтвердили, что новый датчик отслеживает сахар в межклеточной жидкости в реальном времени, что открывает путь к созданию более надежных систем для контроля состояния больных диабетом. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Analytical Chemistry.
Диабет 1 и 2 типа — это заболевания, при которых организм не может нормально регулировать количество сахара (глюкозы) в крови. Без постоянного контроля уровень глюкозы у таких пациентов может повыситься или упасть до критического значения. Оба состояния создают угрозу для жизни и могут привести к повреждению глаз, почек и нервов или даже коме. Наиболее современные персональные устройства контроля глюкозы для больных диабетом — это компактные электрохимические датчики, которые имплантируют под кожу. Такие устройства непрерывно работают несколько недель и позволяют круглосуточно отслеживать уровень сахара. Эту информацию может использовать врач для подбора точных доз инсулина или других лекарств, а также корректировки диеты и режима дня.
Большинство современных сенсоров для мониторинга сахара работают с помощью фермента глюкозооксидазы, нанесенного на поверхность датчика. Этот фермент катализирует окисление глюкозы кислородом. В результате такой реакции образуется перекись водорода, количество которой и регистрирует биосенсор. Коммерческие биосенсоры работают по принципу окисления перекиси, при этом на электроде, где идет такая реакция, нужно создавать высокое напряжение. Однако при высоком напряжении в реакцию вступает не только нужное вещество, но и другие соединения в образце, например, аскорбиновая кислота и мочевая кислота. Это делает сенсор неселективным. Перспективными аналогами считаются биосенсоры на основе глюкозооксидазы и берлинской лазури — синего красителя, который реагирует с перекисью на поверхности сенсора, генерируя электрический ток. Но в подкожной жидкости, где работает сенсор, глюкозы много, а кислорода мало, из-за чего такой датчик недостаточно точно определяет очень высокие концентрации сахара. Его максимальный рабочий диапазон не превышает около 0,18 грамм глюкозы на литр, что ниже, чем уровень сахара в крови.
Ученые из Московского государственного университета имени M.В. Ломоносова (Москва) разработали новый биосенсор на основе глюкозооксидазы и берлинской лазури для непрерывного измерения уровня глюкозы. Авторы уменьшили количество фермента, закрепленного на сенсоре, в 10–20 раз, что заставило систему работать иначе, чем в традиционных устройствах. В условиях дефицита фермента количество растворенного кислорода становится достаточным для его работы. Эксперименты показали, что сигнал остается точным вплоть до очень высоких концентраций — 5,4 грамма на литр, что полностью покрывает все возможные уровни сахара у человека.
Но уменьшение количества фермента резко снизило чувствительность биосенсора. Чтобы это компенсировать, ученые применили импульсный режим работы — сенсор сначала в течение 15 секунд «молчит» и накапливает продукт реакции — перекись водорода, а затем за доли секунды снимает усиленный сигнал. Такой принцип увеличил чувствительность датчика в 100 раз.
Чтобы продемонстрировать практическую применимость своей технологии, авторы провели эксперименты на животных на базе Федерального медицинского биофизического центра имени А.И. Бурназяна ФМБА России. Для этого биосенсоры имплантировали под кожу лабораторным крысам. Как и существующие подкожные детекторы, датчик глюкозы в межклеточной жидкости имеет задержку относительно крови около 20 минут. Когда эту задержку учли, график изменения уровня сахара, полученный с датчика, идеально совпал с аналогичным графиком для крови.
«Сочетание высокоактивных катализаторов с прогрессивным электрохимическим режимом позволило существенно продвинуться на пути создания отечественного малоинвазивного биосенсора на глюкозу. Но есть и нерешенные задачи. В дальнейшем мы планируем уделить особое внимание проблеме операционной стабильности сенсорных покрытий», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Мария Комкова, кандидат химических наук, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории электрохимических методов МГУ имени M.В. Ломоносова.
Источник: indicator.ru
