Подписаться на новости
  • Сенатор
  • ООО "Ай Вао"
  • Биомолтекст2020
  • vsh25
  • Vitacoin

Биосенсоры (ч. 4)

Современные исследовательские тенденции, будущие задачи и ограничения технологии биосенсоров

Окончание. Начало статьи – здесь.

Интегрированные стратегии с использованием множества технологий, начиная от электрохимических, электромеханических и флюоресцентно-оптических биосенсоров и заканчивая генетически модифицированными микроорганизмами, являются современными методами разработки биосенсоров (таблица 1). Некоторые из этих биосенсоров имеют обширные перспективы применения для применения в диагностике заболеваний и медицине в целом (таблица 2). Потребности в использовании биосенсоров для быстрого экономически целесообразного анализа требуют биопроизводства, что позволит регистрировать биологическую активность на разных уровнях, начиная от клеточного из заканчивая уровнем живого организма, с высокой точностью и пределом чувствительности, стремящимся к отдельным молекулам. Помимо этого биосенсоры должны функционировать в сложных условиях. В данной ситуации требуется как двухмерное, так и трехмерное выявление с использованием сложных преобразователей для индентификации и количественной оценки исследуемых аналитов. В данном отношении было сделано несколько знаковых открытий в области контактного и бесконтактного структурирования на разных уровнях. Целью следующего уровня разработки должно быть создание более стабильных регенерирующих биосенсоров для длительного использования. Если это произойдет, появиться возможность создания новых диагностических биосенсоров, которые помогут врачам и пациентам в давнем стремлении к более интегративному пониманию механизмов развития болезней и эффектов терапии. С этой точки зрения, биосенсор на основе резонансного переноса энергии флуоресценции предоставляет возможность проведения превосходной диагностической процедуры по оценке эффективности терапии иматинибом по поводу хронической миелоидной лейкемии. Современное использование аптамеров, аффител, пептидных матриц и полимеров с молекулярными отпечатками представляет собой классические примеры проспективных исследовательских подходов в данной области. Определенные успехи также достигнуты с рядом потенциальных молекул для доставки новых лекарственных препаратов, в том числе антибиотиков. Разработки в данной сфере привелик появлению электрохимических биосенсоров, являющихся надежными аналитическими устройствами для выявления вируса-возбудителя так называемого птичьего гриппа в сложных средах. Более поздние публикации описывают потенциальное применение основанных на афинности биосенсоров в спортивной медицине и допинг-контроле. Также не так давно были подробно проанализированы возможности применения нательных электрохимических биосенсоров для неинвазивного скрининга электролитов и метаболитов в жидких средах организма в режиме реального времени для оценки состояния здоровья человека. Еще одним интересным направлением применения является оценка качества мясной и рыбной продукции с помощью гипоксантиновых биосенсоров. Разработка биосенсоров для выявления агентов биологического оружия, таких как бактерии, вирусы и токсины, производится с использованием различных технологий, в том числе электрохимической, нуклеиновых кислот, оптической и пьезоэлектрической, что позволит активно применять их не только в военной сфере и здравоохранении, но в области обороны и безопасности. В целом можно сказать, что комбинирование наноматериалов и полимеров с различными типами биосенсоров позволит разрабатывать гибридные устройства для эффективного использования в перечисленных выше отраслях. Помимо этого, научные достижения в области разработки микробных биосенсоров с использованием технологии синтетической биологии внесут большой вклад в мониторинг окружающей среды. Авторы данной статьи особенно подчеркивают важность использования микробиологических топливных элементов в разработке методов очистки и в качестве источника энергии для сенсоров, применяемых в мониторинге окружающей среды. В более широком смысле, авторы описывают различные типы биосенсоров, потенциальные возможности их применения и характеристики, такие как способность регистрировать аналит, время анализа, портативность, стоимость и адаптируемость (таблица 3).

Таблица 1. Список биосенсоров, принципов их работы и областей применения

Тип

Принцип

Области применения

1

Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой

Электрохимия с использованием окисления глюкозы

Анализ уровня глюкозы в биологических образцах

2

HbA1c биосенсор

Электрохимия с использованием ферроценбороновой кислоты

Надежный аналитический метод для анализа гликированного гемоглобина

3

Биосенсор мочевой кислоты

Электрохимия

Для выявления клинический аномалий или заболеваний

4

Биосенсоры на основе ингибирования ацетилхолинестеразы

Электрохимия

Анализ влияния пестицидов

5

Пьезоэлектронные биосенсоры

Электрохимия

Выявления органофосфатов и карбаматов

6

Микротехнологические биосенсоры

Оптические/визуальные биосенсоры с использованием фермента цитохрома Р450

Для разработки лекарственных препаратов

7

Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида)

Оптические/визуальные биосенсоры

Иммобилизация биомолекул

8

Биосенсоры на основе оксида кремния

Оптические/визуальные/флуоресцентные

Биовизуализация, биосенсорное обнаружение и терапия рака

9

Биосенсоры на кристаллах кварца

Электромагнитные

Для разработки ультравысокочувствительных методов выявления белков в жидкостях

10

Биосенсоры на основе наноматериалов

Электрохимические или оптические/визуальные/флуоресцентные

Для разнообразных областей применения, в том числе биомедицины, например, в качестве инструментов для диагностики

11

Генетически закодированные или меченые флуоресцентным агентом биосенсоры

Флуоресценция

Для изучения биологических процессов, в том числе различных внутриклеточных молекулярных систем

12

Биосенсоры на основе микробиологических топливных элементов

Оптические

Для мониторинга биохимической потребности в кислороде и токсичности в окружающей среде, а также токсичности тяжелых металлов и пестицидов

Таблица 2. Применение биосенсоров в диагностике заболеваний

Биосенсоры

Диагностика заболеваний или применение в медицине

1

Биосенсоры на основе электродов с иммобилизованной глюкозооксидазой и HbA1c биосенсор

Сахарный диабет

2

Биосенсор мочевой кислоты

Диагностика сердечно-сосудистых заболеваний и заболеваний общего профиля

3

Микротехнологические биосенсоры

Коррекция зрения

4

Биосенсоры на основе гидрогеля (полиакриламида)

Регенеративная медицина

5

Биосенсоры на основе оксида кремния

Разработка и применение иомаркеров рака

6

Биосенсоры на основе наноматериалов

Для терапевтического применения

Таблица 3. Типы биосенсоров, области их применения и характеристики

Тип биосенсора

Области применения

Характеристики

Выявление аналитов: единичных (S) или множественных (M)

Режим реального времени (***) и чувствительность (***)

Портативность (да/нет)

Стоимость ($$$$) и возможность адаптации (***)

1

Электрохимический (традиционный/старый)

Диагностика заболеваний

S

Нет и *

Нет

$ и *

2

Электрохимический с применением микротехнологии (современный)

Диагностика заболеваний и мониторинг состояния окружающей среды

S & M

*** и **

Да

$$ и ***

3

Оптический/визуальный/флуоресцентный

Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования

S

*** и ***

Нет

$$$ и ***

4

Оптический/визуальный/флуоресцентный с использованием биопроизводства

Разработка лекарственных препаратов, биовизуализация и биосенсорные исследования

M

*** и ***

Нет

$$$$ и ***

5

Микробный

Производство энергии и изучения состояния окружающей среды

S

* и **

Да

$$ и **

6

Электромагнитный

Биология белков

S

** и **

Нет

$ и *

Разработка биосенсоров преимущественно направлена на обеспечение чувствительности, специфичности, отсутствие токсичности, возможности выявления малых молекул и экономической эффективности. Эти характеристики в конечном итоге позволят достичь требуемых критических параметров и устранить основные ограничения биосенсорной технологии. Некоторые достижения, как это видно по комбинированию электрохимических сенсоров с наноматериалами, приводят к появлению новых типов биосенсоров. С данной точки зрения следует отметить изобретение «электронной кожи», заключающейся в нанесении на поверхность кожи в виде временной татуировки электрохимических биосенсоров для определения содержания в организме химических соединений. В целом более эффективное комбинирование биосенсорного исследования и биопроизводства с методами синтетической биологии, основанное на использовании электрохимических, оптических или биоэлектронных принципов или их комбинации, является ключом к успешной разработки мощных биосенсоров для современной жизни.

Ссылки на источники см. в оригинале статьи.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru


Читать статьи по темам:

биосенсоры Версия для печати
Ошибка в тексте?
Выдели ее и нажми ctrl + enter
назад

Читать также:

Биосенсоры (ч. 3)

Сравнение биосенсоров с точки зрения технологии, специфичности и порога обнаружения, диапазона линейности, продолжительности анализа, стоимости и портативности.

читать

Биосенсоры (ч.2)

Технические стратегии, применяемые для разработки биосенсоров, основаны на выявлении биомаркеров с использованием и без использования молекулярных мишеней.

читать

Биосенсоры (ч. 1)

Применение биосенсоров приобрело огромную важность в сферах биомедицины, продовольственной безопасности, обороны, безопасности и мониторинга качества окружающей среды.

читать

Белковые радиометры

Цвет свечения белка обелина изменяется даже при низких дозах облучения, что открывает возможность для создания новых систем для тестирования радиационной токсичности.

читать

Интерактивная татуировка

Исследователи из Гарвардской медицинской школы и Массачусетского технологического института синтезировали чернила, реагирующие на метаболические сдвиги.

читать