Измерить сахар по капле пота
Биосенсоры принципиально нового класса позволят упростить диагностику
Диабетикам важно иметь возможность в любой момент измерить содержание сахара в крови. Сейчас для этого нужна капля крови. Новая разработка ученых из МГУ, вероятно, сделает ненужными бесконечные проколы пальцев.
Фото: Олег Харсеев, Коммерсантъ
Сначала коротко о самом понятии «биосенсор». Так называется устройство, преобразующее химическую информацию, например концентрацию того или иного вещества, в электрическую форму. Это преобразование основано на биохимической реакции, которая протекает за счет элементов биологического распознавания (ферментов, антител и пр.), которые определяют селективность (избирательность) анализа.
Первый биосенсор разработал американский ученый Джордж Гильбо в 1956 году для детекции фосфорорганических отравляющих веществ. В его основу положено ингибирование (убийство) фермента, осуществляющего гидролиз эфиров холина. Индикаторные трубки, которые мы все изучали в курсе гражданской обороны, основаны как раз на этом принципе.
Ингибиторные биосенсоры, как в приведенном примере, не могут быть специфическими (селективными). Действительно, убить фермент гораздо проще, чем заставить его работать в искусственных условиях. Возможно, поэтому первыми биосенсорами официально считают электроды, чувствительные к глюкозе (1962, 1967 годы), действие которых основано на ферменте глюкозооксидаза.
Сахарным диабетом страдает в мире более 400 млн людей, это около 5% населения Земли. Болезнь страшна главным образом осложнениями, среди которых атеросклероз, почечная недостаточность, слепота и пр. Отсрочить эти осложнения можно, поддерживая концентрацию глюкозы в крови в допустимых пределах, даже суточные колебания опасны. Стоит ли удивляться, что глюкозные биосенсоры получили самое широкое распространение, а персональные глюкометры на их основе, которые сейчас можно купить в любой аптеке, выпускаются на $15 млрд в год.
Действие глюкозных биосенсоров основано на ферментах, специфически окисляющих глюкозу, в первую очередь глюкозооксидазе. Последняя катализирует окисление только свободной глюкозы; ни другие моносахариды, например фруктоза, ни глюкозосодержащие олиго- и полисахариды, например сахароза (димер глюкозы и фруктозы), трансформации не подвергаются. Эта специфичность позволяет детектировать свободную глюкозу в такой сложной субстанции, как человеческая кровь.
Ферменты-оксидазы, к которым относится и глюкозооксидаза, катализируют окисление своих специфических субстратов кислородом воздуха, в качестве побочного продукта при этом образуется пероксид водорода (Н2О2). Еще в начале 1980-х годов тем же Гильбо было показано, что детекция последнего позволяет добиться наилучших аналитических характеристик соответствующих биосенсоров. Однако на платине, материале, известном как универсальный катализатор, детектировать Н2О2 возможно только по его окислению. На этом принципе работают все клинические анализаторы глюкозы и лактата, также большинство малоинвазивных мониторов. В то же время в крови, как и других биологических жидкостях, имеется огромное число восстановителей: аскорбат, мочевина и пр., способных спонтанно окисляться на платине в тех же условиях, что и пероксид водорода. Эти восстановители продуцируют ложноположительный сигнал на глюкозу. Например, диабетик принимает от простуды большую дозу лекарства на основе аскорбиновой кислоты или парацетамола — и монитор показывает завышенные показания концентрации глюкозы в крови. Человек принимает лекарство для ее снижения и, поскольку в действительности увеличения содержания глюкозы не происходило, попадает в область гипогликемии (пониженной концентрации глюкозы), которая еще более опасна.
Мы в МГУ синтезировали на основе гексациноферрата железа (берлинской лазури) электрокатализатор восстановления пероксида водорода, в 1000 раз более активный и в 1000 раз более селективный, чем платина. Той самой берлинской лазури, первые сообщения о которой восходят к началу XVIII века, и той самой, лазурный коллоид которой синтезируют на уроках химии в школе. В 1000 раз более высокая селективность позволяет детектировать пероксид водорода по его восстановлению (а не по окислению, как в случае использования платины), что полностью решает упомянутую выше проблему паразитного влияния восстановителей. А повышенная в 1000 раз активность обеспечивает в столько же раз более высокую чувствительность. В комбинации с также предложенным нами новым способом иммобилизации ферментов, когда для улучшения качества мембран их экспонируют в органические растворители, электрокатализатор обеспечивает создание высокоэффективных биосенсоров, значительно превосходящих по аналитическим характеристикам существующие аналоги.
Приоритет наших научных достижений обеспечен публикациями в ведущих международных журналах, включая самый престижный химико-аналитический журнал Analytical Chemistry (American Chemical Society Publishers). Научные достижения отмечены премией и почетным членством Международного электрохимического общества (International Society of Electrochemistry), высшей наградой МГУ — Ломоносовской премией за научную деятельность.
Создание биосенсоров с уникальными аналитическими характеристиками позволило обратиться к неинвазивной диагностике, которая предполагает оценку содержания метаболитов в крови не только без ее отбора, но и без повреждения кожных покровов. Это полностью нивелирует риск травмирования и инфицирования пациентов в процессе анализа.
Человеческий пот обладает достаточным потенциалом для неинвазивной диагностики гипоксии и мониторинга диабета. Это позволило создать первый в мире реально работающий неинвазивный монитор этих патологий. Монитор анализирует неразбавленный пот, который сразу после его выделения протекает через соответствующий биосенсор. Конструкция обеспечивает минимальное время задержки, таким образом показания монитора практически не отстают от результатов анализа крови. Монитор прошел испытания на добровольцах, и настало время его клинических испытаний.
Отметим, что и биосенсоры, и монитор привлекли внимание российского бизнеса в лице таких гигантов, как «Юнимед» и особенно ЭЛТА, контролирующего своей продукцией 40% отечественного рынка глюкометров.
В заключение в свете последней Нобелевской премии по химии хотелось бы обсудить, должна ли наука развиваться силами энтузиастов. Присуждена Нобелевская премия была в 2019 году по электрохимии — науке, которая кроме батарей и аккумуляторов включает и описанные выше биосенсоры, и коррозию, и многое другое. Успехи пришли неслучайно: в США (Остин, Техас) был создан крупнейший в мире электрохимический центр. Кроме новоиспеченного нобелевского лауреата Джона Гуденафа там работают Аллен Бард, первооткрыватель явления электрохемилюминисценции, используемого сегодня в диагностических приборах во всем мире, создатель электрохимического микроскопа и автор наиболее цитируемого учебника по электрохимическим методам, а также Адам Хеллер, один из признанных мировых лидеров в области глюкозных биосенсоров и биотопливных элементов. К примеру, созданный им глюкометр нового поколения (некалибруемый и обладающий большей точностью и надежностью) был куплен в 2004 году корпорацией Abbot за €1 млрд, и уже через год в европейских странах диабетики снабжались этим прибором. Нам, кстати, он не поставляется до сих пор.