Czym są biosensory?

Biosensory to urządzenia pozwalające wykryć określony związek chemiczny czy materiał biologiczny dzięki wbudowanym elektrodom. Leland C. Clark Jr., nazywany ojcem biosensorów, wynalazł właśnie jeden z nich oparty o elektrodę tlenową. Opisał on bowiem amperometryczny biosensor dla glukozy. Same w sobie biosensory są w stanie wykryć tzw. biologiczny analit występujący w środowisku bądź organizmie człowieka. Należy w tym miejscu wyjaśnić, czym jest analit. Najczęściej określenie to stosuje się w chemii analitycznej dla substancji o nieznanym stężeniu i pochodzeniu, którą wykrywa się za pomocą titranta. Titrant jest natomiast substancją znaną, o wiadomym stężeniu, która dzięki swoim właściwościom pomaga oznaczyć analit (widać to np. poprzez zmianę barwy czy wydzielenie jakiejś substancji bądź gazu). Tę samą zależność stosuje się więc nie tylko w przypadku chemii analitycznej, ale również biosensorach. Co ważne, w obu tych przypadkach wykorzystywane są reakcje redoks. W czasie zachodzenia reakcji redoks jedna z substancji ulega utlenieniu, a druga redukcji. Oznacza to, że każda z nich zmienia wówczas swój stopień utlenienia charakterystyczny dla danego związku, a tym samym – swoje właściwości. Reakcje te pozwalają właśnie na wykrycie kluczowych związków – czy to materiału biologicznego, czy innego pochodzenia. Urządzenia te są w stanie dostarczyć istotnych informacji dzięki rozpoznaniu materiału, który cały czas pozostaje w kontakcie z elektrodą. Oprócz elementu przewodzącego ważną rolę w budowie biosensora odgrywa przetwornik, który przetwarza sygnał, a także detektor, który pozwala na wykrycie i odczyt danego związku. Inną, najważniejszą w zasadzie funkcję pełnią elektrody. To dzięki powinowactwu elektrody do danego związku może on zostać wykryty. Dlatego też bardzo często stosuje się pewne modyfikacje, które poprawiają właściwości powierzchniowe elektrody danego rodzaju, co zwiększa czułość i selektywność. Należy także pamiętać o podstawowych parametrach, które trzeba wziąć pod uwagę przy dobieraniu biosensorów, jak: czułość, selektywność, dokładność, powtarzalność, czas detekcji, czas życia oraz stabilność.

Problemy, które wciąż pozostają do rozwiązania w przypadku biosensorów, to np. odpowiedni dobór materiałów oraz selektywność. Aby mieć pewność wyniku i jego odpowiedniej interpretacji, konieczne jest dobranie właściwego materiału. Z tą kwestią bezpośrednio wiąże się selektywność. Ze względu na to, że związki chemiczne czy też materiały biologiczne mogą wykazywać aktywność w tym samym zakresie potencjału wymagany jest dobór odpowiedniego modyfikatora, który byłby w stanie zidentyfikować określony związek.

Sensory a biosensory

Jak już wspomniano, w biosensorach używane są tzw. przetworniki, które mają na celu przetworzenie sygnału. Przetworniki te posiadają tzw. warstwę receptorową, która to przekształca informację np. biochemiczną na sygnał, który może być realnie zmierzony i odczytany (najczęściej jest to sygnał elektryczny), a następnie zinterpretowany dzięki uzyskanym wynikom. Więcej informacji na ten temat można znaleźć tutaj. Każdy sensor czy też biosensor posiada taki przetwornik, który pozwala na odczyt danych. Aby jednak mówić o biosensorach, warstwa receptorowa musi być pochodzenia biologicznego.

Rodzaje biosensorów

Według literatury wyróżnia się kilka podstawowych rodzajów biosensorów używanych w celach medycznych: enzymy, komórki, receptory, przeciwciała czy też kwasy nukleinowe. Ze względu na rodzaj przetwornika natomiast można je podzielić na: elektrochemiczne, optyczne, termiczne i wiele innych. Biosensory mogą także różnić się działaniem – bezpośrednim lub pośrednim. Biosensory bezpośrednie to takie, które są w stanie wykryć i monitorować stężenie analitu samego w sobie, a pośrednie potrzebują dodatkowo udziału inhibitora danego analitu lub jego aktywatora. Znane są także tzw. biosensory kalorymetryczne, które wykrywają zmiany temperatur analitu bądź zachodzących przemian chemicznych. Należy pamiętać, że biosensory są w stanie wykrywać kilka analitów, co ogranicza ich selektywność. Ważne jest także, aby wspomnieć, że identyfikowane związki nie mogą ze sobą interferować, a więc konieczny jest odpowiedni dobór materiałów przeznaczonych do biosensorów.

Wykorzystanie biosensorów w medycynie

W medycynie biosensory są przede wszystkim badane pod kątem potencjalnego wykorzystania w detekcji chorób nowotworowych, a także innych tzw. chorób cywilizacyjnych. Jest to o tyle istotne, że są one coraz częściej diagnozowane ze względu na stres, nieodpowiednią dietę, brak aktywności, zaburzenia snu czy też nałogi, a więc ogólnie mówiąc – niezdrowy styl życia. Oprócz wykrywania chorób biosensory mają także inne zadania, tj.: analizę interakcji antygen-przeciwciało, analizę reakcji białek w organizmie oraz innych cząstek, badanie wpływu interakcji leków na siebie nawzajem, wykrywanie szczególnych szczepów bakterii czy też wirusów o podłożu patologicznym. Innym zastosowaniem jest monitorowanie poziomu cukru we krwi (glukometr jest typowym biosensorem) oraz określanie występowania antybiotyków w żywności. Szeroko wykorzystywane są także amperometryczne immunosensory.

Jak już wspomniano, biosensory w medycynie są przede wszystkim wykorzystywane do wykrywania nowotworów. Aby mogły one spełniać taką funkcję, muszą być czułe i selektywne na konkretne markery nowotworowe, co przekłada się na wczesne rozpoznanie ognisk nowotworu. Do kluczowych zalet można jednak przypisać badanie w czasie rzeczywistym. Dzięki swojej budowie biosensory działają od razu, w szybkim tempie, a także konkretnie dla stanu danego pacjenta. Mogą też wykrywać kilka substancji jednocześnie. Przykładem takiego biosensora jest np. aptametr, który w swojej budowie wykorzystuje sztuczne fragmenty DNA lub RNA i odznacza się dużą selektywnością. Identyfikacja komórek nowotworowych polega na wykryciu parametrów czy tez znaczników specyficznych tylko dla komórek nowotworowych. Tak zresztą działa większość biosensorów – są one specyficzne dla danej substancji. W medycynie można te urządzenia wykorzystać także do detekcji neurotransmiterów, jak np. dopamina czy cholesterol. Co ciekawe, ich użycie rozpatruje się także w kontekście wykrywania wirusów HIV i WZW. Prowadzono również badania nad użyciem biosensorów w obserwacji różnych procesów zachodzących w organizmie, jak np. gojenie się ran oraz reakcje alergiczne. Próbowano też wykrycia toksyn wywołujących cholerę. W innych badaniach wykorzystywane są biosensory na bazie żelatyny, które umożliwiają diagnostykę wielu chorób, jak np. zapalenie trzustki czy raka pęcherza moczowego (gdyż żelatyna może rzekomo wykrywać związki zawarte właśnie w moczu). Tego typu urządzenia oparte na żelatynie mogą także pomóc w wykryciu mukowiscydozy czy choroby Alzheimera. Należy jednak podkreślić, że są to na razie doświadczenia w fazie badań.

Inne aplikacje

Oprócz swojej szczególnej roli w medycynie biosensory można także spotkać w przemyśle czy ochronie środowiska. Służą np. do wykrywania określonych związków w żywności, mikroorganizmów w wodzie, ściekach, powietrzu, a także szkodliwych dla człowieka substancji w środowisku. Jedną z ciekawych funkcji jest detekcja określonych pierwiastków w wodzie morskiej, np. uranu, który mógłby być z niej wydobywany, a następnie używany po przetworzeniu jako paliwo jądrowe. Oprócz tego biosensory służą do wykrywania metali ciężkich, hormonów czy środków powierzchniowo czynnych w środowisku, a także mogą być wykorzystywane do zadań specjalnych dla wojska. Biosensory stosuje się ponadto do biomonitoringu środowiskowego.

Biosensory elektrochemiczne

Bioczujniki elektrochemiczne to stosunkowo nowa odmiana czujników do wykrywania biomolekuł, takich jak DNA czy białka. Połączenie szybkiego, czułego oraz selektywnego i taniego wykrywania cząsteczek dzięki metodom elektrochemicznym i takim dziedzinom nauki jak genetyka, biochemia, biologia molekularna zwiększa zakres możliwości wykorzystania biosensorów w medycynie. Ten rodzaj urządzeń jest także przydatny ze względu na niską cenę, możliwość miniaturyzacji, łatwość w obsłudze i niskie koszty oprzyrządowania. Podstawowa zasada czujników elektrochemicznych polega na elektroaktywnym utlenianiu lub redukcji danego związku na powierzchni elektrody roboczej, która jest poddawana pewnemu z góry określonemu potencjałowi, a zmiana parametrów elektrycznych wynikająca z reakcji redoks jest zależna od rodzaju lub stężenia analitu. Bioczujniki można podzielić zależnie od wykorzystywanej metody elektrochemicznej: potencjometryczne (w tym woltamperometryczne) i konduktometryczne. Wykrywanie elektrochemiczne odbywa się przy użyciu układu trzech elektrod: elektrody roboczej, na której zachodzi reakcja przeniesienia elektronu, elektrody odniesienia, która utrzymuje stabilny potencjał w stosunku do elektrody roboczej oraz elektrody pomocniczej, która zmniejsza m.in. opór roztworu analitu.

Najnowsze badania

Obecnie trwa wiele badań nad materiałami do biosensorów, które pozwoliłyby na wykrycie wielu złożonych chorób i nie tylko. Jednym z takich materiałów są nanocząstki, a konkretnie grafen. Tego typu sensory wykorzystujące nanocząstki są nazywane nanobiosensorami. Opracowano np. biosensor wykorzystujący złotą elektrodę pokrytą nanocząstkami krzemu modyfikowanymi tlenkiem grafenu. Inni badacze użyli natomiast elektrody grafenowej w połączeniu z aptametrem. Oba rozwiązania miały na celu wykrycie komórek nowotworowych. Znane są także rozwiązania wykorzystujące grafen do wykrywania ostrej białaczki, raka jajnika, piersi, płuc czy żołądka. Grafen jednak można zastosować w medycynie nie tylko do wykrywania nowotworów, chociaż oczywiście badania pod tym kątem są obiecujące. Ze względu na swoje parametry, takie jak dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne (co też jest ważne z punktu widzenia elektrod), bardzo dobre właściwości mechaniczne, elastyczność czy też rozciągliwość, grafen może być użyty w diagnostyce obrazowej jako środek kontrastujący. Może być także rozwiązaniem w terapii genowej czy fotodynamicznej. 

Kolejnym obiecującym rozwiązaniem w medycynie jest wykorzystanie nanorurek węglowych jako materiałów elektrodowych w biosensorach. Według badań można takie nanorurki zmodyfikować za pomocą enzymów czułych na daną substancję. Nanorurki węglowe, a konkretniej grafenowe, mogą być pomocne jako nośniki leków stosowane w leczeniu niektórych rodzajów nowotworów, np. glejaka. Należy jednak zwrócić uwagę, że pomimo selektywności i odpowiednich właściwości fizykochemicznych nanocząstek, rodzi się pytanie o bezpieczeństwo ich stosowania. Związki te bardzo łatwo wnikają do organizmu drogą pokarmową, oddechową czy przez skórę, powodując tym samym wiele poważnych chorób. Zatem kluczową kwestią do rozwiązania pozostaje dopracowanie tych materiałów w sposób, który nie obniży ich funkcjonalności, a jednocześnie zredukuje toksyczność.