России не нужны биосенсоры?
Русские учёные могут лучше
Марина Муравьёва
Фото: Дмитрий Европин
STRF.ru
Учёные химического факультета МГУ им. Ломоносова разработали высокочувствительные биосенсоры для определения глюкозы, лактата, пероксида водорода и других соединений. Эти устройства значительно превосходят по своим возможностям зарубежные аналоги, а использовать их можно практически везде: от медицины до промышленной экологии. На IX международном форуме «Высокие технологии XX I века» лаборатория Аркадия Карякина получила бронзовую статуэтку «Святой Георгий» за разработку биосенсоров
Развитие биосенсоров в первую очередь связывают с клинической диагностикой, а именно неинвазивными методами, позволяющими проводить анализ основных компонентов обмена веществ без отбора крови. В этом направлении биосенсоры с их высокой чувствительностью и избирательностью должны сыграть ключевую роль. Кроме того, их активно можно использовать в пищевой промышленности – для анализа свежести и качества продуктов, контроля различных ферментаций, допустим, в пивоварении и виноделии, а также содержания искусственных пищевых добавок.
Справка STRF:
Биосенсор – устройство, состоящее из преобразователя сигнала (трансдьюсера) и некоего распознающего элемента. На первом этапе происходит «узнавание» биоэлементом специфического для него вещества из многокомпонентной смеси. На втором – информация о протекании биохимической реакции преобразуется в форму электрохимического или, например, оптического сигнала. Эта стадия является ключевой в работе биосенсора.
Самый чувствительный
Над созданием биосенсоров в лаборатории электрохимических методов Химфака МГУ под руководством профессора Аркадия Карякина работают с середины 1990-х годов. В ходе исследований, которые в течение этого времени проводились при поддержке РФФИ, фонда Бортника, Роснауки (ФЦНТП и ФЦП «Исследования и разработки») и других организаций, в том числе зарубежных, учёным удалось сделать самый чувствительный сенсор. Комбинируя научные подходы при создании наиболее эффективного преобразователя сигнала пероксида водорода и наиболее оптимальную иммобилизацию (связывание) фермента на поверхности трансдьюсера удалось разработать глюкозный биосенсор, который на сегодняшний день обладает рекордными аналитическими характеристиками: позволяет анализировать глюкозу в проточно-инжекционной системе вплоть до концентрации 10–7 М с чувствительностью 0,05 А М –1см–2. Существующие аналоги этот сенсор превосходит по чувствительности на два-три порядка. Кроме того, учёным удалось добиться ещё одного результата: с помощью разработанного ими метода электроды устройства могут находиться как в максимально стабильном (в течение года), так и в максимально активном состоянии – способны выдержать до тысячи измерений.
«Разработка глюкозных датчиков – крайне актуальная задача, – комментирует Аркадий Карякин. – Сахарным диабетом страдают в развитых странах до восьми процентов от всего населения, а в развивающихся – до десяти процентов. Этим людям требуется каждый день, иногда несколько раз в день измерять уровень сахара в крови. Физическими методами это не удаётся делать эффективно. Стенки сосудов выстланы полисахаридами, которых даже по сравнению с огромным содержанием глюкозы в крови очень много. Биосенсор отличается высокой избирательностью, и его не надо греть, как химические сенсоры, которые начинают работать только после нагревания (от 100 до 500 градусов). Так что преимущества биосенсоров в данном случае очевидны. К тому же с их помощью можно определять в крови уровень глюкозы в самых щадящих для пациента условиях».
Простейшие глюкозные биосенсоры уже давно продаются в аптеках (с конца прошлого века). Для анализа глюкозы в крови не требуются такие чувствительные сенсоры, которые разработали на Химфаке МГУ. Но в перспективе – при развитии неинвазивных методов диагностики такие биосенсоры станут незаменимы. Кроме того, диагностику можно будет проводить путём имплантации сенсора внутрь кровеносного сосуда для осуществления непрерывного контроля ключевых компонентов крови. В связи с этим всё большее внимание уделяется миниатюризации биосенсоров.
Вместо кваса – газировка
В лаборатории Аркадия Карякина кроме глюкозных разработаны также биосенсоры для определения лактата, этанола и ещё нескольких веществ в биологических средах и продуктах питания. В состав одного из электродов вводят специальный фермент, который избирательно катализирует окисление кислородом воздуха субстрата – вещества, концентрацию которого надо измерить. При этом выделяется пероксид, определив концентрацию которого, можно узнать содержание самого субстрата – например, лактата (глюкозу определяют по такому же принципу).
Для подтверждения пригодности разработанных биосенсоров учёные проводили анализ различных продуктов и напитков, например, оценивали качество нескольких сортов кваса. Этот напиток, как известно, приготовляют путём брожения, в ходе которого появляется молочная кислота (лактат). В ходе эксперимента выяснилось, что квас одной из разрекламированных марок, который позиционируется как натуральный продукт, лактата не содержит. То есть, по сути, напиток представляет собой некий вариант кока-колы. Это простейший пример, как с помощью биосенсора любой потребитель может узнать о качестве приобретаемого продукта. Аналогичный эксперимент проводился с виноградными винами. Для натуральных характерны определённые концентрации сахаров. В суррогатах их пропорции нарушены, а изъяны вкуса производители маскируют, подслащивая напиток, что легко определить с помощью биосенсоров.
Для проведения анализа нужен исследуемый объект – капля жидкости (биологической или какого-то напитка), в которой определяется содержание искомого вещества. Метод настолько селективен, что позволяет распознать соединение в среде любого состава и любой концентрации. По сути, основа метода – электрохимическое определение пероксида водорода, но задачи могут быть разными. Для этого обычно используют платиновые электроды, которые считаются самыми эффективными, но дорогими. Учёные Химфака заменили их дешёвыми аналогами на базе обычного соединения железа – Берлинской лазури. Преимущество не только в цене, но и в тысячу раз более высокой эффективности и избирательности действия. К тому же срок хранения таких электродов практически неограничен.
Для анализа, разумеется, понадобится дополнительное оборудование, в основном типовое: потенциостат (наподобие рН-измерителя, но несколько сложнее), а для автоматизации процесса – перистальтический насос и проточную ячейку, которая была разработана на Химфаке.
Не кровью, а потом
В настоящее время лаборатория Аркадия Карякина с Институтом физкультуры и спорта приступили к совместному проекту, финансируемому Роснаукой (проект «Высокоэффективный биосенсор для неинвазивной оценки стрессовых состояний человека»). О том, как спортсмены воспринимают нагрузку, судят по пробам крови на глюкозу и лактат. Учитывая, что процедуру приходится проводить достаточно часто, то приятного в этом мало. Датчики, разрабатываемые на Химфаке, являются высокоспецифичными и селективными, и по предварительным данным, способны определять концентрацию глюкозы и лактата не по крови, а по поту.
В дальнейшем планируется создать специальный прибор, позволяющий в зависимости от личных параметров спортсменов дозировать их индивидуальную нагрузку. Это крайне важно, так как тренеры не могут знать особенностей организма своих подопечных, поэтому занимаются с ними по общему расписанию, что не всегда приводит к желаемым результатам. В качестве примера Аркадий Карякин приводит историю спортивного успеха Мануэлы Ди Чента, которая в начале своей карьеры не обещала выдающихся результатов. А через какое-то время смогла неожиданно для многих выбиться в лидеры. Оказалось, что добиться этого ей удалось благодаря тренировкам с датчиками кислорода на мышцах. Тренер индивидуально подбирал нагрузку на основании потребления кислорода мышцами. И, скорее всего, благодаря этой методике спортсменка резко подняла свой статус и стала недосягаемой олимпийской чемпионкой.
Ещё одно направление исследований лаборатории Аркадия Карякина связано с определением пероксида водорода в конденсате выдыхаемого воздуха в качестве маркера некоторых воспалительных процессов в лёгких. «Мы проводили совместные эксперименты с Институтом пульмонологии под руководством академика РАМН Александра Чучалина, изучали возможности диагностики лёгочных заболеваний с помощью биосенсоров, – рассказывает Аркадий Карякин. – Дело в том, что традиционными методами в половине случаев ставится неправильный диагноз: из трёх пациентов двое получают неверное лечение. Кроме того, способы диагностики очень болезненные».
Учёные намерены разработать систему для врачей – терапевтов и пульмонологов, позволяющую эффективно и безболезненно уточнять диагнозы и контролировать ход лечения. Для этого будет использоваться специальный датчик и проточная система, которая позволит производить анализ образцов конденсата выдыхаемого воздуха экспресс-методом – меньше чем за минуту.
За каждую статью – борьба
Результаты своих исследований учёные лаборатории электрохимических методов Химфака МГУ публикуют в ведущих зарубежных научных изданиях. Самый престижный научный журнал по химии «Angewandte Chemie», который по цитируемости превосходит «Journal of the American Chemical Society», опубликовал статью московских химиков, в которой утверждается, что учёные создали рекордный по своим характеристикам электрохимический датчик для определения пероксида водорода. В другом авторитетном журнале – американском «Analytical Chemistry» опубликована статья о самом чувствительном глюкозном биосенсоре. То, что делают московские учёные, пользуется большим уважением на Западе, особенно их фундаментальные исследования.
Учёных лаборатории электрохимических методов активно цитируют, в частности, у Аркадия Карякина – не менее 300 цитирований в год, а суммарный показатель личного CI превысил две тысячи (это один из лучших результатов среди молодых учёных Химфака МГУ). Кроме того, Аркадий Карякин – единственный от России член редакционных коллегий ведущих иностранных журналов, таких как «Electroanalysis», «Electrochemistry Communications», «Talanta» и других.
Бытующее в научной среде мнение, будто российских учёных притесняют и не дают возможности печататься в зарубежных журналах, профессор Карякин не разделяет. «Естественно, американцам печататься легче в американских журналах, так же, как и русским – в отечественных, – говорит Аркадий Карякин. – Лично у меня всегда были сложности с иностранным. Тем не менее, сейчас я вхожу в редколлегии зарубежных журналов. Когда я публиковал свою первую статью в «Analytical Chemistry», один из рефери написал, что английский у меня плоховат, зато исследование интересное, а поправить язык – это дело редакции».
Безусловно, бывают случаи, когда действительно достойное исследование получает отрицательный отзыв от нескольких рецензентов, признаёт Аркадий Карякин. В таких случаях приходится, отстаивать у редакционной коллегии право на публикацию. Джо Ванг, главный редактор журнала «Electroanalysis», любит повторять, что каждая статья – это борьба. И если в ней не участвовать, то напрасно ожидать победы. Эти слова принадлежат успешному учёному, который основал свой собственный журнал.
России не нужны биосенсоры?
Справка STRF.ru:
Рынок биосенсеров, который стал развиваться с конца 1980-х годов, постоянно растёт. В 1995 году он уже составлял полмиллиарда долларов, сейчас превышает 12 миллиардов долларов в год. На сегодняшний день самыми продаваемыми являются биосенсоры для определения уровня глюкозы. Во многом именно они определяют рынок – на продажу от других тестов приходится менее 10 процентов от общих доходов.
В области сенсоров лаборатория электрохимических методов МГУ занимает лидирующие позиции на мировом уровне. Некоторые европейские партнёры перешли на их научные подходы в биосенсорных технологиях. К примеру, лаборатория римского университета Тор Вергата (University of Rome Tor Vergata) стала последователями московских учёных, полностью переориентировав фундаментальную часть работ на методы, разработанные на Химфаке.
Следующая стадия, которую предстоит пройти учёным лаборатории электрохимических методов, – инновационная. В этом направлении они уже начали работать – создали малое предприятие (в рамках проекта «Старт» Фонда Бортника), освоили технологию по изготовлению электродов методом, который на Западе называется screen printing, а в России «трафаретная печать».
«Мы можем делать конечный продукт, – говорит Аркадий Карякин. – В целом ни от кого не зависим, способны сами осуществлять весь технологический процесс, только полимеры и краски приходится покупать».
За день можно изготовить около тысячи электродов, которые по оригинальной технологии московских химиков модифицируются в биосенсоры. Себестоимость одного электрода составляет около десяти рублей, цена на продажу могла бы достигать 20-30 рублей, для сравнения – зарубежные аналоги стоят около двух евро (почти 90 рублей). Но пока на коммерческую основу производство биосенсоров в лаборатории Карякина не поставлено – электроды делаются бесплатно для научных целей лаборатории и партнёров.
Чтобы в России массово производить датчики для определения, например глюкозы, требуется полная автоматизация этого процесса. А для этого необходимы значительные инвестиции. Данный вопрос должен регулироваться на государственном уровне, считает Аркадий Карякин. В противном случае, имея собственные разработки, значительно превосходящие зарубежные аналоги, Россия так и будет зависеть от импорта.
«В нашей стране пока не очень хорошо понимается значение биосенсоров, – отмечает Аркадий Карякин. – Дешёвые, простые и селективные анализы, которые могут проводиться с помощью биосенсоров, пока недооцениваются. Допустим в Японии, один из отцов биосенсоров Исао Карубе, смог настолько убедить своих сограждан в пользе биосенсоров, что без использования датчиков народ не покупал в магазине продукты. Они даже сделали что-то типа ножа, в который был встроен сенсор, позволяющий определять свежесть рыбы. Там фактически действовала государственная программа, выделялось финансирование на развитие биосенсоров. Будет ли в России вестись какая-то целенаправленная политика в этом направлении – сложно сказать».
Тем не менее, в лаборатории Аркадия Карякина надежды не теряют. А вернее, возлагают их на молодёжь. У студентов и аспирантов к этой тематике огромный интерес. А биосенсорика по определению не развиваться не может. Вопрос только в темпах.
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
15.04.2009