Nanotechnologia

Szybka i czuła detekcja neuroprzekaźników katecholaminowych (adrenalina, dopamina, noradrenalina i serotonina) jest niezwykle istotna we współczesnej medycynie. Związki te występują głównie w mózgu oraz ośrodkowym układzie nerwowym ssaków i są one odpowiedzialne za szereg ważnych procesów metabolicznych. Epinefryna (adrenalina, EP) jest bardzo istotnym związkiem chemicznym w organizmie człowieka. Odpowiedni poziom tej substancji warunkuje jego poprawne działanie. Produkowana głównie w rdzeniu nadnerczy jest gromadzona i uwalniana w sytuacjach stresu, związanych między innymi z wysiłkiem, bólem, hipoglikemią, czy hipoksją. Podwyższenie jej poziomu wpływa na metabolizm, hamując pracę układu trawiennego i wydzielanie insuliny, jednocześnie powodując stymulację sekrecji glukagonu oraz procesy rozpadu glukagonu i lipolizy. Wydzielana jest jednak także z zakończeń nerwowych współczulnych, działa więc nie tylko jako hormon, ale także jako neurotransmiter. Wpływa w ten sposób na układ krwionośny poprzez  przyspieszanie pracy serca, podnoszenie ciśnienia krwi czy zwiększanie przepływu naczyniowego, dzięki czemu rezerwy energetyczne są w stanie szybciej dotrzeć do mięśni. Wykazuje także wpływ na układ oddechowy, umożliwiając szybsze natlenianie organizmu.

W normalnych warunkach stężenie epinefryny w organizmie zdrowego człowieka zwykle nie przekracza 0,0054 [nM] i  wzrasta około dziesięciokrotnie w trakcie wysiłku oraz  około pięćdziesięciokrotnie w sytuacjach stresu. Pewne schorzenia mogą powodować gwałtowny wzrost stężenia epinefryny – nawet do około 54,6 [nM] w przypadku guzów chromochłonnych. Leczenie pacjentów po ostrych zawałach serca jest w stanie podnieść stężenie epinefryny nawet sto tysięcy razy. W związku z powyższym nawet drobne wahania poziomu EP w organizmie mogą prowadzić do wystąpienia szerokiego spektrum chorób – od nadciśnienia tętniczego i chorób serca po choroby neurodegeneracyjne takie jak np. choroba Parkinsona. Istotne jest więc opracowanie bardzo czułego systemu diagnostycznego, umożliwiającego szybkie określanie stężenia epinefryny w badanej próbce. Umożliwi to skuteczne diagnozowanie schorzeń na poziomie biochemicznym, przed wystąpieniem nieodwracalnych zmian w organizmie.

Obserwowany rozwój analityki medycznej niesie ze sobą wyzwania dla klasycznych metod analizy chemicznej, charakteryzujących się wysoką czułością i precyzją, nie pozwalających jednak na szybkie oznaczanie analitu z jednoczesnym otrzymaniem wyniku. Alternatywą dla metod analizy klasycznej jest konstruowanie sensorów chemicznych, które pozwalają na wykonywanie oznaczeń z wysoką czułością i dokładnością.

Biosensor to sensor chemiczny, który w swojej budowie oprócz elementu przetwornikowego zawiera materiał aktywny biologicznie. W skład każdego biosensora wchodzą głównie dwa elementy: element czuły, gdzie dochodzi do rozpoznania receptor-analit, oraz element przetwornikowy, który odbiera ten sygnał i konwertuje go na sygnał mierzalny. Poprzez te dwa elementy można podzielić biosensory ze względu na element rozpoznający (np. biosensor enzymatyczny) oraz ze względu na przetwornik (np. biosensor elektrochemiczny).

Biosensory optyczne wykorzystują pomiary świetlne dokonywane w aparatach optycznych, takich jak np. spektrofotometry, fluorometry, lumenometry oraz fotometry, gdzie możemy mierzyć zmianę adsorpcji lub intensywność światła. Zmiany właściwości optycznych jednego ze związków podlegających reakcji z materiałem biologicznym naniesionym na czujnik analizowane są metodą bezpośrednią, natomiast w metodzie pośredniej stosowane są wskaźniki, które zmieniają właściwości optyczne na skutek przemian badanej substancji, takie jak barwniki organiczne czy kropki kwantowe. Kropki kwantowe posiadają w porównaniu z organicznymi barwnikami korzystniejsze właściwości fotoluminescencyjne, lepszą biokompatybilność oraz obojętność chemiczną. Są to nanokryształy półprzewodnikowe o wielkości 2–10 nm. Właśnie ta ograniczona liczba atomów i średnia rzędu nanometrów nadają kropkom kwantowym tak niezwykle właściwości fluorescencyjne. Wśród sensorów elektrochemicznych wyróżnia się sensory potencjometryczne mierzące napięcie, sensory amperometryczne mierzące natężenie oraz sensory konduktometryczne mierzące przewodnictwo. Co najmniej dwie elektrody na których zachodzą reakcje chemiczne, składające się na ogniwo elektrochemiczne są podstawą ich budowy. Dodatkowo ważne jest użycie odpowiedniego elektrolitu przez który przenoszony jest ładunek.

Głównymi wymaganiami stawianymi biosensorom jest, aby były wartościowe pod względem badań naukowych i aplikacji komercyjnych. Biosensory odgrywają ważną rolę w medycynie, przemyśle czy ochronie środowiska, zapewniając rutynowe analizy oraz wczesne wykrywanie problemów i punktów kryzysowych. Do możliwości wyróżnia się zatem: analizę interakcji antygen-przeciwciało; monitorowania poziomu glukozy we krwi u diabetyków; diagnozowania i monitorowania wielu chorób, w tym raka; W przemyśle rolno-spożywczym bioczujniki mogą być wykorzystywane do wykrywania niektórych patogenów, np. bakterii Salmonella czy E. coli  Użyteczne w kontroli żywności, m.in. przy identyfikacji GMO, czy występowania antybiotyków. Znajdują zastosowanie w badaniach środowiskowych przy m.in. oznaczaniu metali ciężkich, pozostałości pestycydów, zanieczyszczeń; W bioterroryzmie mogą służyć do wykrywania np. śladowych ilości materiałów wybuchowych.

Opracowywane przez nasz zespół elektrochemiczne i optyczne sensory, jak i biosensory znajdują zastosowanie w diagnostyce medycznej. Dotychczasowe badania przedstawiają łatwe, szybkie, dokładne i selektywne sposoby oznaczania neuroprzekaźników i hormonów w badanych roztworach wodnych jak i próbkach biologicznych, co potwierdzają uzyskane limity detekcji w zakresie nano, a nawet piko-molarne.

Autor: Sylwia Baluta
http://internanopoland.com/