Nanobiosenzory

Z WikiSkript

Technológia biosenzorov spája poznatky biológie s pokrokmi v mikroelektronike. Biosenzor pozostáva zvyčajne z troch častí:

  1. biologického prvku – bunky, enzýmy, organely, DNA či protilátky
  2. rozhrania – polymérový tenký film, chemicky modifikovaný povrch
  3. prevodníku

Biologický prvok špecificky deteguje prítomnosť zisťovanej látky – analytu. Rozhranie spája biologický prvok s prevodníkom. Prevodník premieňa biochemický signál na iné, ľahšie kvantifikovateľné a merateľné formy signálu (napr. elektrický, termický alebo optický).
Biosenzor teda možno definovať ako detektor, ktorý kombinuje biologický a fyzikálno-chemický prvok na identifikovanie analytu.

Špecifickým typom biosenzorov sú nanobiosenzory s rozmermi pohybujúcimi sa v nanometrickej škále. Napriek tomu, že syntetické nanobiosenzory sú pre nás novinkou, v biologickom svete existujú celé stáročia. Rastliny ich využívajú na detekciu slnečného svetla, ryby sú nimi schopné zachytávať nepatrné chvenie vody, mnohé druhy hmyzu analyzujú svojimi nanosenzormi feromóny. Potenciál človekom navrhnutých nanobiosenzorov spočíva v tom, že by sa mohli stať nástrojom na vyšetrovanie biologických bunkových procesov in vivo. Perspektívne je teda ich uplatnenie v medicíne. Významné nanobiosenzory z hľadiska využitia v lekárstve sú: [1]

Senzory s nosníkovým usporiadaním[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Ide o citlivé mechanické senzory. Absorpcia analytu k cieľovým molekulám na povrchu nosníku vyvolá napätie povrchu a následný ohyb nosníku. Detekcia ohybu nastáva najčastejšie laserom (optická metóda), čo je problematické v nepriehľadných tekutinách, akou je napríklad krv, pretože tá vysielané svetlo absorbuje. Z tohto dôvodu sú vhodnejšie iné,,čítacie“ metódy napr. piezoelektrická. Piezoresistor je zabudovaný v nosníku. Počas detekcie dochádza k zmene rezistancie, čo je merané ako elektrický signál v mikro a nanoelektromechanických systémoch (MEMS, NEMS). [1]

Umelý nos[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Ide o nanotechnologický čuchový senzor – NOSE, ktorý slúži na identifikovanie pachov. V porovnaní s prírodným čuchovým orgánom, výhodou umelého zariadenia je, že je neunaviteľné, môže pracovať v prostredí, ktoré je pre človeka škodlivé a dosahuje reprodukovateľné výsledky. Zariadenie sa skladá z ôsmich kremíkových nosníkov, ich horný povrch je povlečený 2 nm vrstvou titánu, 20 nm vrstvou zlata a vrstvou polyméru. Detegovaný plyn difunduje do polyméru, čo následne spôsobuje jeho pučanie a ohyb nosníku. Výchylku nosníku meria 8 laserov. [1]

Detekcia baktérií, plesní a vírusov[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Príkladom je detekcia baktérií Escheria coli, ktorá je založená na interakcii špecifických protilátok s antigénmi na povrchu ich bunkových membrán. Interakcia spôsobuje zvýšenie hmotnosti, čo je prístrojom detegované. Znehybnené E. coli sú počas analýzy umiestnené na nosiči. Citlivosť detekcie sa pohybuje v ráde jednej baktérie, čomu odpovedá hmotnosť približne 1pg. [1]

Senzory na báze nanotrubíc[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Zakládnou stavebnou jednotkou senzorov sú uhlíkové nanotrubice – alotropické modifikácie uhlíka s cylindrickou nanoštruktúrou. Existuje množstvo možných aplikácií senzorov na báze nanotrubíc v medicíne:

  • senzory monitorujúce hladinu glukózy v krvi (fluorescenčný biosenzor) a moči
  • senzory pre kapnografiu (meranie koncentrácie oxidu uhličitého v dychu)
  • senzory detekujúce DNA
  • biosenzory pre detekciu radikálu oxidu dusnatého NO, ktorý hrá dôležitú rolu v organizme (spôsobuje vazodilatáciu hladkého svalstva, erekciu penisu, plní funkciu neurotransmiteru)
  • platformy pre biosnímanie a detekciu dopamínu a kyseliny askorbovej za účelom diagnostikovania Parkinsonovej choroby[1]


Fluorescenčný biosenzor[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Slúži na nepretržité monitorovanie hladiny glukózy v krvi. Implantuje sa do tkaniva, kde je následne excitovaný laserom. Uhlíkové nanotrubice, z ktorých je senzor zložený, sú zapuzdrené do citlivého proteínu. K ich funkcionalizácii dochádza žltou krvnou soľou (K4[Fe(CN)6]), citlivou na peroxid vodíka. Glukóza je premieňaná enzýmom glukózooxidáza na glukónolaktón, pričom ako vedľajší produkt vzniká peroxid vodíka. Peroxid vodíka reaguje s kyanoželeznatanovým iónom žltej krvnej soli. Reakcia má za následok zmenu elektrónovej hustoty nanotrubice, tým pádom aj jej optických vlastností. Čím väčšia je koncentrácia glukózy v krvi, tým jasnejšie bude uhlíková nanotrubica svetielkovať. Senzor sa zatiaľ nepoužíva v lekárskej praxi, avšak boli vykonané úspešné analýzy vzoriek krvi in vitro. (19,24,25) [1] [2]

Senzory na báze nanotrubíc pre kapnografiu[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Významné uplatnenie v medicíne majú senzory pre chemické plyny. Jedným z nich je senzor na bázi uhlíkových nanotrubíc povlečený polyetyleniminom slúžiaci kapnografickým účelom. Meranie koncentrácie oxidu uhličitého v dychu je dôležité, pretože hladina oxidu uhličitého indikuje stav pacienta v priebehu podávánia anestetických látok. [1]

Senzory na báze nanodrôtov[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Jedná sa o citlivé senzory riadené elektrickým poľom. Nanodrôty tvoriace senzory sú funkcionalizované špecifickými povrchovými receptormi, ktoré umožňujú prácu v roztoku. Využitie v lekárskych a biologických odboroch:

Elektrická detekcia vírusov[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Polovodičové kremíkové nanodrôty tvoriace nanosenzor sú zostavené ako tranzistory ovládané elektrickým poľom (FET tranzistory). Senzor na povrchu nesie protilátky proti danému vírusu. Po naviazaní detegovaného vírusu k protilátke, sa vodivosť polovodičového nanodrôtu zmení zo základnej na určitú hodnotu. Po odpútaní vírusu, sa vodivosť vráti späť na pôvodnú hodnotu. Sledovaním zmien vodivosti možno vírus identifikovať. [1] [3]

Bio-bar code assay[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Medzi hlavné problémy klasických metód detekcie proteínov alebo antigénov patrí ich relatívna necitlivosť voči cieľovým molekulám. Neumožňujú teda stanoviť diagnózu v rannej fáze ochorenia. Preto boli vyvinuté vysoko citlivé testy, ktoré sú schopné detegovať veľmi nízke koncentrácie patogénnych biomarkerov. Zjednodušene si presnosť detekcie možno predstaviť tak, že sme schopní analyzovať zrnko soli v plaveckom bazéne. Významným vysoko citlivým testom vyvinutým Mirkinovou skupinou je tzv. „bio-bar code assay”. Metóda umožňuje analyzovať attomolárne koncentrácie stanovovaných látok (antigénov, protilátok, DNA cieľových molekúl – targetov).
Test využíva dva typy sond:

  1. sondy nanočastíc zlata – funkcionalizované stovkami identických hybridizovaných oligonukleotidov DNA (nazývaných aj „DNA s čiarovým kódom“, pretože predstavujú identifikačnú značku)
  2. sondy polyklonálnych protilátok a magnetických mikročastíc – funkcionalizované monoklonálnymi protilátkami

Polyklonálne a monoklonálne protilátky sa viažu k rovnakému cieľovému proteínu. Naviazaním stlačia proteín medzi nanočasticu zlata a magnetickú mikročasticu, čím vznikne tzv. „sendvičová” štruktúra. Po odstránení „sendvič“ z roztoku pôsobením magnetického poľa, dôjde k uvoľneniu a následnej detekcii reťazcov DNA s čiarovým kódom. Test možno využiť na detekciu voľných antigénov špecifických pre prostatu (PSA), ktorých výskyt indikuje rakovinu prostaty. Metóda umožňuje identifikovať ochorenie v zárodku skôr, ako sa prejavia jeho symptómy. Včasná diagnostika vedie k efektívnej liečbe. Test možno taktiež využiť na vyšetrenie krvi na prítomnosť HIV a priónov (Creuzfeldt-Jakobova choroba). [1]

Odkazy[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Související články[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Použitá literatúra[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

Reference[✎ upravit | ☲ editovat zdroj]

  1. a b c d e f g h i PRNKA, Tasilo a Karel ŠPERLINK. BIONANOTECHNOLOGIE NANOBIOTECHNOLOGIE NANOMEDICÍNA [online]. [cit. 2013-02-07]. <http://www.nanotechnologie.cz/storage/nanotechnologie200610.pdf>.
  2. PICKUP, John C, Faeiza HUSSAIN a David J.S BIRCH, et al. Fluorescence-based glucose sensors [online]. [cit. 2013-02-07]. <https://sensor.phys.strath.ac.uk/pdf-library/Fluorescence-based%20glucose%20sensors.pdf>.
  3. PATOLSKY, Fernando a Charles M LIEBER. Nanowire nanosensors [online]. [cit. 2013-02-07]. <http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702105007911>.