Sensory a biosensory

Urządzenia, które zalicza się do grupy sensorów chemicznych, charakteryzują się bardzo podobną budowę. Składają się z przetwornika, na który naniesiono warstwę receptorową. Zadaniem warstwy receptorowej jest przekształcenie informacji biochemicznej w formę, która może być zmierzona, a następnie za pomocą przetwornika jest ona przetwarzana na sygnał, najczęściej elektryczny lub optyczny. O biosensorze mówi się wtedy, gdy warstwa receptorowa jest pochodzenia biologicznego.

Dr Pietrzak: "Kiedy mówimy o biosensorach mamy na myśli urządzenia, składające się z dwóch zintegrowanych części: przetwornika i części receptorowej pochodzenia biologicznego. Z definicji biosensorów (a tak naprawdę sensorów chemicznych, których biosensory są podkategorią) wynika, że powinny być to urządzenia wielokrotnego użytku oraz umożliwiające pomiar danego parametru (stężenia, aktywności itp.) w sposób ciągły. Ostatnio obserwuje się tendencję do nazywania urządzeń jednorazowych (single-use, disposable) również biosensorami, które jednak wg ścisłej definicji biosensorami nie są. Ponadto często dochodzi do pomyłek jeżeli chodzi nazywanie biosensorami np. testów ciążowych, które co prawda zawierają element pochodzenia biologicznego (podobnie zresztą jak testy paskowe do pomiaru stężenia glukozy) ale nie są zintegrowane z przetwornikiem, a ich działanie jest „zero-jedynkowe” – tak/nie albo (i) są one jednorazowe. Podobnie sprawa wygląda w przypadku testów immunoeznymatycznych wykorzystujących przeciwciała (ELISA), które wg ścisłej definicji biosensorami nie są."

Glukometr (autorka zdjęcia: Alisha Vargas)

Czemu warto stosować biosensory?

Biosensory, które udało się z powodzeniem skomercjalizować, spełniają szereg kryteriów, które odpowiadają za ich rynkowy sukces. Są niewielkich rozmiarów, ich konstrukcja jest dość prosta, przez co są łatwiejsze w masowej produkcji. Za ich pomocą wykrycie analitu (np. glukozy we krwi) odbywa się błyskawicznie, eliminują również potrzebę udania się do specjalisty w celu wykonania rutynowej kontroli. Są również niezwykle proste w obsłudze i tanie.

Dr Pietrzak: "W tej chwili większość pomiarów poziomu glukozy odbywa się w prosty sposób przy użyciu glukometrów i pasków testowych zawierających enzym (oksydazę glukozową lub dehydrogenazę glukozową), które wg obowiązujących definicji biosensorami nie są. Jednakże rozwój glukometrów oraz testów przyczynił się niewątpliwie do poprawy jakości życia pacjentów, i tak jak Pan wspomniał często eliminuje potrzebę udania się do specjalisty w celu rutynowej kontroli poziomu cukru.

Niewątpliwą zaletą sensorów chemicznych czy biosensorów (ale także większości testów obecnych na rynku) jest możliwość analizy próbki i oznaczania wybranych jej składników bez potrzeby żmudnego jej przygotowania (sączenia, rozdzielania, rozcieńczania). W większości przypadków (bio)sensor umieszcza się bezpośrednio w pobranej próbce (w przypadku testów podobnie, bądź próbkę umieszcza się na teście) i dokonuje pomiaru."

Co może być receptorem w bioczujnikach?

Elementem biologicznym wykorzystywanym w bioczujnikach mogą być różne cząsteczki pochodzenia biologicznego. Często stosuje się w tym celu enzymy, można wtedy mówić o tak zwanym sensorze enzymatycznym. Jego działanie jest oparte na katalizie reakcji substratu specyficznego dla zastosowanego enzymu. Przez to, że enzymy są bardzo specyficznymi katalizatorami, możliwe jest bardzo dokładne wykrycie jednej określonej substancji. Obecnie wszystkie testy służące do oznaczania stężenia glukozy we krwi przeznaczone dla diabetyków bazują na reakcjach enzymatycznych.

Kolejnym elementem biologicznym, który może być wykorzystywany w biosensorach, są tkanki (sensory tkankowe). Jego działanie oparte jest na specyficznych oddziaływaniach pomiędzy tkanką a analitem, niestety tego rodzaju czujniki mają zazwyczaj dość niską specyficzność. Jednym z przykładów zastosowania biosensora tkankowego jest urządzenie, w którym elementem biologicznym jest pęcherz ropuchy, a służy ona do analizy wazopresyny.

Na rynku dostępne są również biosensory, w których do wykrywania specyficznych substancji z otoczenia wykorzystywane są przeciwciała (immunosensory). Detekcja analitu odbywa się za pomocą wysoce specyficznych interakcji pomiędzy przeciwciałem a antygenem. Ze względem na bardzo wysoką specyficzność przeciwciał, dokładność takiego pomiaru jest bardzo dobra. Przykładem zastosowania przeciwciał w codziennej praktyce są dostępne w aptekach testy ciążowe, które wykrywają w moczu HCG (gonadotropinę kosmówkową). Wiarygodność takiego testu waha się w przedziale od 95% do 99% w zależności od producenta.

Oprócz wyżej wspomnianych elementów biologicznych, możliwe jest również wykorzystanie w biosensorze kwasów nukleinowych czy też całych mikroorganizmów, jednak nie są one obecnie stosowane na szeroką skalę.

Dr Pietrzak: "Nie do końca mogę zgodzić się ze stwierdzaniem, iż bioczujniki tkankowe lub też mikrobiologiczne charakteryzują się niestety niską specyficznością (selektywnością). W przypadku niektórych zastosowań, brak selektywności może być zaletą, gdyż takie biosensory mogą być stosowane do określania całkowitej toksyczności danej próbki (np. środowiskowej), bądź też oznaczania biodostępnych frakcji zanieczyszczeń.

Od mniej więcej dekady obserwuje się duży wzrost zainteresowania użyciem kwasów nukleinowych w warstwie receptorowej bioczujników. W większości przypadków tego typu urządzenie przeznaczone mają być głownie do oznaczania komplementarnych (hybrydyzujących) sekwencji. Dzięki temu biosensory wykorzystujące kwasy nukleinowe (np. DNA) mogą stać się skutecznym narzędziem do analizy często demonizowanej żywności (organizmów) modyfikowanej genetycznie (GMO). W przyszłości będą one również mogły znaleźć zastosowanie przy diagnostyce chorób o podłożu genetycznym.

Obecnie (jedynie w ośrodkach naukowych) trwają również badania nad możliwością zastosowania specjalnie przygotowanych kwasów nukleinowych (tzw. aptamerów) do oznaczania innych niż kwasy nukleinowe o sekwencji komplementarnej analitów, np. markerowych białek, prostych związków chemicznych czy nawet wirusów."

Zastosowania biosensorów

Biosensory znajdują zastosowania w wielu różnych dziedzinach, ich ogólny podział prezentuje się następująco:

1. Cele medyczne.
2. Badania środowiskowe.
3. Zastosowania w przemyśle rolno‑spożywczym.
4. Obronność.

Co kryje się pod tymi kategoriami? Bioczujniki stosowane w medycynie i diagnostyce stanowią największą część tego rynku ‑ same sensory służące do wykrywania glukozy stanowią około 85‑90%. Poza tym, do pierwszej kategorii można zaliczyć również takie (bio)sensory, które służą do wykrywania elektrolitów, mleczanów czy też cholesterolu we krwi, lub hormonów w moczu. Opracowano także takie czujniki, które pozwalają na diagnostykę chorób nowotworowych lub schorzeń układu sercowo‑naczyniowego w oparciu o specyficzne biomarkery np. białko C-reaktywne.

Biosensory wykorzystywane w badaniach środowiskowych znajdują zastosowanie głównie przy oznaczaniu metali ciężkich w glebie jak i poziomów środków ochrony roślin (herbicydów, insektycydów itp.). W przemyśle rolno‑spożywczym bioczujniki również są wykorzystywane do oznaczania glukozy, ale także do wykrywania niektórych patogenów, na przykład bakterii Salmonella, Listeria monocytogenes czy E.coli. Mogą być również wykorzystane do stwierdzania obecności obcych genów w GMO. Kolejnym zastosowaniem biosensorów – tym przez służby militarne – jest identyfikacja i oznaczanie chemicznych i biologicznych środków bojowych.

Dr Pietrzak: "Co ciekawe, poprzez modyfikacje mikroorganizmów lub komórek, które stosowane są w warstwie receptorowej biosensorów możliwe jest też rozróżnianie np. chorobotwórczych Escherichiacoli O157:H7 od innych niepatogennych szczepów E. coli.

Patrząc na dane liczbowe, ilości publikowanych artykułów i prac, oraz kwoty przeznaczane na badania dotyczące biosensorów niekwestionowanym liderem jest biosensor do oznaczania glukozy. Co ciekawe pierwszy opracowany bioczujnik – już w 1962 roku – również dedykowany był oznaczaniu glukozy. Od tego czasu poczyniono ogromny postęp w konstrukcji tego typu urządzeń. Ciągle jednak trwają intensywne prace nad ich ulepszaniem oraz obniżaniem kosztów wytworzenia.  Związane jest to z coraz większą liczbą osób chorujących na cukrzycę, a co za tym idzie zwiększonym zainteresowaniem firm farmaceutycznych."

Kierunki rozwoju biosensorów glukozy

Warto skoncentrować się właśnie na biosensorach służących wykrywaniu glukozy, z powodu ich ogromnego udziału w tym rynku. Badacze na całym świecie zadają sobie trud nad opracowaniem jeszcze stabilniejszych enzymów w nich wykorzystywanych oraz zwiększeniu ich niezawodności. Niektórzy pracują nad ich miniaturyzacją, a nawet opracowują implantowane biosensory (umieszczane w skórze czy też wewnątrz naczyń krwionośnych). Obecnie powadzone są również intensywne badania nad możliwością nieinwazyjnego pomiaru poziomu glukozy w próbkach potu, śliny lub łez.

Dr Pietrzak: "Większość sensorów i biosensorów implantowanych dedykowanych jest zastosowaniom szpitalnym i ciągłym badaniom wybranych parametrów (stężenia glukozy, mleczanów, CO₂ itp.) określających stan pacjenta w czasie długotrwałych zabiegów, operacji czy też po prostu pobytu w szpitalu.

Bardzo ciekawe są również badania nad biosensorami do zastosowań in vivo – bezpośrednio w organizmie, które nie wymagają zewnętrznych źródeł zasilania. W takim przypadku próbuje się integrować biosensory z ogniwami lub bioogniwami paliwowymi. Ponadto prowadzone są również prace nad miniaturowymi biosensorami, które dzięki zastosowaniu nowoczesnych technologii, oprócz eliminacji potrzeby zewnętrznego zasilania, są w stanie np. drogą radiową bezprzewodowo przesyłać wyniki analizy do komputera i natychmiast generować akcję w postaci dozowania np. insuliny z pompy na skutek podwyższonego poziomu glukozy."

Właśnie tego typu badania, które sprawiają, że skomercjalizowane biosensory są coraz lepsze i powszechniejsze, są jedyną z przyczyn ciągłego wzrostu wartości rynku biosensorów (10‑15% każdego roku). W roku 2012 jego wartość wynosiła 8,5 miliarda dolarów, a prognozy zapowiadają że w roku 2015 wyniesie ona 12 miliardów dolarów, z kolei w 2018 już 16,8 miliarda.

red. Tomasz Domagała
Portal Biotechnologia.pl

Źródła:
Bioczujniki, Tomasz Wojtaszek w Problemy nr 5/1989
www.marketresearch.com/
Prezentacja "Biotechnologia dla sensorów, sensory dla biotechnologii; Elektrochemiczne (bio)sensory glukozy" dr Mariusz Pietrzak