КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 16-13-00010

НазваниеНовые электрохимические тест-системы многоразового использования на основе высокоэффективных биосенсоров для неинвазивной медицинской диагностики

РуководительКарякин Аркадий Аркадьевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2016 - 2018 

КонкурсКонкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11)

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-402 - Электрохимия и коррозия металлов

Ключевые словаэлектрохимические биосенсоры, тест-системы, электроанализ, неинвазивная диагностика, конденсат выдыхаемого воздуха (КВВ), пот, глюкоза, лактат, спортивная медицина, гипоксия, гипо-/гипергликемия

Код ГРНТИ31.15.33, 31.19.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Неинвазивная диагностика является сегодня одним из наиболее важных направлений медицинской диагностики, поскольку, исключая повреждение не только стенок кровеносных сосудов, но и кожных покровов, полностью исключает заражение и травматизм пациентов. Наиболее важными метаболитами для медицинской диагностики являются глюкоза и лактат. Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является создание тест-систем многоразового использования для неинвазивной диагностики. Несмотря на огромные усилия в этой области, даже в отношении диабета (определения концентрации глюкозы в крови) проблема неинвазивной диагностики не является решенной. Отсутствие успеха в применении физических методов неинвазивной детекции ключевых метаболитов крови (той же глюкозы, например) диктуют необходимость использования для этих целей химического анализа. Научная проблема, таким образом, распадается на две составляющие: (1) поиск подходящих экскреторных жидкостей и (2) создание (био)сенсоров и тест-систем на их основе для них для экспрессной и дешевой детекции (непрерывного мониторирования) ключевых метаболитов в этих жидкостях. Задачи проекта: 1.1 Исследование диагностической ценности неинвазивно собираемого конденсата выдыхаемого воздуха (КВВ) для диагностики гипоксии и гипо-гипергликемии: определение содержания глюкозы и лактата в КВВ и выявление наличия алгоритмов соответствия концентрации этих метаболитов в крови и КВВ. 1.2 Выявление алгоритмов соответствия концентрации глюкозы и лактата в поте и крови. 2.1 Разработка высокоэффективных электрохимических сенсоров и биосенсоров, обладающих чувствительностью и селективностью, пригодными для анализа экскреторных жидкостей (пот, КВВ). 2.2 Создание тест-систем многоразового использования для неинвазивной диагностики на основе высокоэффективных сенсоров и биосенсоров. Электрохимические сенсоры и биосенсоры широко востребованы в современных направлениях клинической диагностики для создания надежных, экспрессных, селективных и простых методов анализа. Биосенсором по определению называется устройство, состоящее из трансдьюсера (преобразователя сигнала) и тесно связанного с ним элемента биораспознавания. Для достижения обратимости сигнала биосенсора его биораспознающий элемент должен быть биокатализатором, или ферментом. Для создания высокоэффективных биосенсоров на основе ферментов необходимо обеспечить, с одной стороны, активный электрокатализатор окисления-восстановления промежуточного продукта ферментативной реакции и, с другой стороны, эффективную иммобилизацию самого фермента на поверхности такого электрокатализатора. Заявителем на протяжении последних 20-и лет созданы новые научные направления по обоим ключевым аспектам создания биосенсоров. Это, с одной стороны, наиболее эффективный электрокатализатор восстановления пероксида водорода для сопряжения электродной и ферментативной реакции и, с другой стороны, новый улучшенный протокол иммобилизации ферментов. Безусловный приоритет заявителя на данные научные направления обеспечен публикациями в наиболее престижных международных журналах. В их числе Angewandte Chemie – наиболее престижных химический журнал, импакт фактор (ИФ) 11.8, Analytical Chemistry – наиболее престижный журнал в области аналитической химии, ИФ 5.8. Диагностическая ценность пота в отношении гипоксии в работах заявителя уже показана [D.A. Sakharov, M.U. Shkurnikov, M.Y. Vagin, E.I. Yashina, A.A. Karyakin, A.G. Tonevitsky. Bulletin of Experimental Biology and Medicine 150 (2010) 83-5]. Оценка диагностической ценности пота в отношении гипо-гипергликемии позволит заложить научные основы создания неинвазивного монитора состояния гликемии, что особенно важно в свете неудач неинвазивных глюкозных мониторов на основе ионтофореза. С другой стороны, в рамках проекта предлагается адаптировать высокоэффективные биосенсоры для анализа диагностически ценных экскреторных жидкостей. Заявителем уже показана возможность адаптации лактатного биосенсора для анализа неразбавленного пота путем негенной инженерии фермента лактатоксидазы [M.M.Pribil, G.U.Laptev, E.E.Karyakina, A.A.Karyakin. Analytical Chemistry 86 (2014) 5215-9]. Таким образом, задача создания тест-систем для многоразового анализа неразбавленных экскреторных жидкостей с возможностью создания непрерывных мониторов различных стрессовых и патологических состояний является достижимой. Результатами проекта для создания тест-систем для медицинской диагностики будут являться: 1. Алгоритм соответствия содержания глюкозы и лактата в неинвазивно собираемых поте и конденсате выдыхаемого воздуха (КВВ) с концентрацями в крови для диагностики гипоксии и гипо-гипергликемии. 2. Прототип неинвазивного монитора гипоксии на основе непрерывного анализа пота на содержание лактата. 3. Прототип неинвазивного монитора гипо-гипергликемии на основе непрерывного анализа пота на содержание глюкозы. 4. Прототип электроаналитической установки анализа КВВ на содержание глюкозы и лактата, встраиваемой в сборник КВВ. 5. Техническое задание на анализатор выдыхаемого воздуха для детекции глюкозы в аэрозоле с целью создания неинвазивной тест-системы моментального отклика (типа алкометра) для диагностики гипо-гипергликемии. Тест-системы неинвазивной диагностики гипо/гипергликемии по анализу КВВ будут апробированы в отделениях пульмонологии и эндокринологии МКНЦ РФ (КБ N60), в институте пульмонологии Росздрава РФ (КБ N57), неинвазивный монитор состояния гипоксии - в Олимпийском Комитете РФ. Будут проведены демонстрации разрабатываемой системы конечным потребителям в рамках выставок и конференций, компаниям-производителям и поставщикам инновационного медицинского оборудования в России и в Европейском союзе. Полученные результаты будут представлены на всероссийских и международных конференциях. Результаты будут опубликованы в высокоцитируемых научных изданиях, посвященных электрохимии, аналитической химии и наукам о материалах, медицинской химии и биотехнологии. Молодые ученые (студенты, аспиранты химического факультета и ФНМ МГУ имени М.В. Ломоносова получат возможность принять участие в международных и российских конференциях и выставках.

Ожидаемые результаты
Результатами проекта в отношении создания тест-систем для медицинской диагностики будут являться: 1. Алгоритм соответствия содержания глюкозы и лактата в неинвазивно собираемых поте и конденсате выдыхаемого воздуха (КВВ) с концентрацями в крови для диагностики гипоксии и гипо-гипергликемии. 2. Прототип неинвазивного монитора гипоксии на основе непрерывного анализа пота на содержание лактата. 3. Прототип неинвазивного монитора гипо-гипергликемии на основе непрерывного анализа пота на содержание глюкозы. 4. Прототип электроаналитической установки анализа КВВ на содержание глюкозы и лактата, встраиваемой в сборник КВВ. 5. Техническое задание на анализатор выдыхаемого воздуха для детекции глюкозы в аэрозоле с целью создания неинвазивной тест-системы моментального отклика (типа алкометра) для диагностики гипо-гипергликемии. Фундаментальными результатами проекта, кроме выявления диагностической ценности неинвазивно собираемых пота и конденсата выдыхаемого воздуха, будут являться также следующие. 1. Выявление взаимосвязи структура-функции для гексацианоферратов переходных металлов с целью создания электрокатализатора восстановления пероксида водорода с рекордными чувствительностью и стабильностью. 2. Неферментативный сенсор на полиолы (сахара и оксикислоты) с повышенной селективностью за счет темплатного (с молекулярными отпечатками) синтеза боронат-замещенного полианилина. 3. Неферментативный монитор состояния гипоксии на основе боронат-замещенного полианилина, синтезированного с молекулярными отпечатками лактата. 4. Новые методы иммобилизации ферментов в полимерные пленки при электрополимеризации. 5. Электроаналитическая тест-система определения лактата с преконцентрированием для понижения предела обнаружения. Практическими результатами проекта будут прототипы непрерывных мониторов стрессовых и патологических состояний человека. Важность этих результатов для всего человечества трудно переоценить. Кроме того, будет сформулировано техническое задание анализатора выдыхаемого воздуха для детекции глюкозы в аэрозоле, который будет способен взорвать существующий рынок персональных глюкозных тестов, составляющих сегодня более 10 миллиардов долларов в год. Как следует из публикаций заявителя в ведущих международных журналах в области аналитической химии и электрохимии, все работы проводятся на переднем крае мировой науки и не имеют аналогов. Ожидаемые результаты проекта имеют практическую и теоретическую значимость. Фундаментальная часть включает в себя изучение взаимосвязи структура-функции для гексацианоферратов переходных металлов. Практическим применением этих знаний будет являться создание высокостабильного и высокоэффективного электрокатализатора восстановления пероксида водорода с рекордными аналитическими характеристиками. Новые подходы к созданию (био)сенсоров на основе электрополимеризованных органических молекул на поверхности смешанных пленок гексацианоферратов переходных металлов позволят разработать высокоэффективные глюкозные и лактатные биосенсоры. Использование оригинальных подходов для иммобилизации ферментов-оксидаз позволят конструировать биосенсоры с заданными аналитическими характеристиками. Биосенсоры будут иметь аналитические характеристики, превышающие известные аналоги (чувствительность, селективность, стабильность при хранении, воспроизводимость изготовления). Операционная стабильность биосенсоров позволяет использовать их многократно в режиме ПИА. Такие биосенсоры пригодны для проведения анализов не только в крови, но и в неинвазивно-собираемых экскреторных жидкостях (КВВ и пот). Технология трафаретной печати, используемая авторами проекта, для печати основ сенсоров, позволяет наладить полупромышленное производство (био)сенсоров с высокой воспроизводимостью. Таким образом, результаты проекта будут способствовать созданию промышленных биосенсорных технологий в РФ. Известно, отечественные фирмы-производители электроаналитического оборудования для медицинской диагностики используют только зарубежные комплектующие (картриджи, на основе Pt), о недостатках которых см. выше.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Неинвазивная диагностика является наиболее перспективной областью клинической диагностики, поскольку она не допускает ни повреждения стенок кровеносных сосудов, ни нарушения целостности кожных покровов. Концентрация метаболитов в экскреторных жидкостях обычно ниже, чем в крови. Поэтому с целью повышения чувствительности используется созданный нами более 20 лет назад электрокатализатор восстановления пероксида водорода на основе берлинской лазури (БЛ). Электрокатализатор существенно улучшает аналитические характеристики (био)сенсоров, поскольку и по активности, и по селективности превосходит обычно используемую платину на три порядка. Основные работы и результаты 1 года выполнения проекта: 1.1.Оптимизация методики и изготовление планарных сенсорных структур методом трафаретной печати в качестве основы для разработки планарных сенсоров. Соисполнителем ООО Русенс выполнена оптимизация трафаретной печати сенсорных структур и разработана методика изготовления трехэлектродных планарных сенсорных структур. Планарные сенсорные структуры изготавливались методом послойной трафаретной печати на полуавтоматическом печатном станке SCF-300 (Technical Industrial Co. Ltd., Гонконг). Проведено изучение электрохимических свойств электродов, изготовленных с применением различных углеродных паст. Подготовлено 500 штук планарных структур. 1.2.-1.3.-1.4.Исследование новых протоколов со-осаждения наноструктур гексацианоферратов переходных металлов для разработки электрокатализатора восстановления пероксида водорода с улучшенной операционной стабильностью и каталитической активностью. Разработка и изготовление планарных сенсоров на пероксид водорода на основе трехэлектродных сенсорных структур, изготовленных методом трафаретной печати. Изучение аналитических характеристик сенсоров на пероксид водорода, основанных на улучшенном наноструктурированном электрокатализаторе. Разработана новая упрощенная методика модификации электродов сенсорным материалом на основе гексацианоферратов железа и никеля [Karpova E.V., Karyakina E.E., Karyakin A.A. Iron–nickel hexacyanoferrate bilayer as an advanced electrocatalyst for H2O2 reduction . RSC Advances. 2016. V. 6. P. 103328–103331, http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ra/c6ra24128j/unauth#!divAbstract]. Высокостабильный сенсор для определения пероксида водорода получен на основе одного бислоя, состоящего из каталитического покрытия БЛ и стабилизирующего покрытия NiГЦФ, нанесенных послойно методом межфазного синтеза. Сенсор демонстрирует высокую операционную стабильность: в режиме непрерывного мониторинга 1 мМ H2O2 первоначальный отклик сохраняется в течение 80 минут. Чувствительность анализа составила (0,34±0,02 А·М-1·см-2); диапазон определяемых концентраций (1·10-7 – 1·10-3 М) [Карпова Е.В., Карякин А.А. Суперстабильный электрокатализатор восстановления пероксида водорода как основа высокоэффективного биосенсора. Acta Naturae. 2016. V. 2. P. 136]. Разработаны и изготовлены новые высокостабильные планарные сенсоры на пероксид водорода на основе гексацианоферратов железа и никеля. Совместно с соисполнителем ООО Русенс подготовлено 200 штук лабораторных образцов сенсоров. 1.5.Исследование структуры и морфологии наноструктурированных пленок гексацианоферратов переходных металлов на оборудовании ЦКП ФНМ МГУ имени М.В. Ломоносова и выявление структурно-функциональных зависимостей для понимания фундаментальных пределов их активности и операционной стабильности. Электрокатализатор был исследован методами электрохимической микроскопии [Komkova M.A., Maljusch A., Sliozberg K., Schuhmann W., Karyakin A. Scanning Electrochemical Microscopy: Visualization of Local Electrocatalytic Activity of Transition Metals Hexacyanoferrates. 2016. Russian Journal of Electrochemistry, V. 52, P. 1298-1304,DOI: 10.1134/S1023193516120065]. При помощи сканирующей капельной ячейки осуществлен электрохимический синтез геометрически идентичных образцов гексацианоферратов железа и никеля для измерений методом СЭХМ. Показано, что NiГЦФ обладает незначительной активностью как электрокатализатор восстановления пероксида водорода по сравнению с берлинской лазурью (БЛ). Предлагаемый подход, успешно примененный для модельных образцов, является перспективным для визуализации поверхностной активности с высоким пространственным разрешением для дизайна и разностороннего исследования электроактивных поверхностей, а также для разработки сенсоров и биосенсоров. Фундаментальные исследования электронтранспортных характеристик электро-катализатора методом импедансной спектроскопии выявили необычные свойства гексацианоферратов переходных металлов, в частности, сопротивления переноса заряда, не подчиняющееся закону Ома. Сопоставление спектров электрохимического импеданса с морфологией пленок гексацианоферратов позволило предложить способ оценки сплошности электроактивных неорганических без применения средств микроскопии [Komkova M.A., Karpova E.V., Sukhorukov G.A., Sadovnikov A.A., Karyakin A.A. Estimation of continuity of electroactive inorganic films based on apparent anti-Ohmic trend in their charge transfer resistance. 2016. Electrochimica Acta, V. 219, P. 588-591, DOI: 10.1016/j.electacta.2016.09.145]. 1.6. (Био)сенсоры на основе берлинской лазури, не требующие источника питания, для носимых устройств. В 2016 году показана возможность создания (био)сенсоров на основе электродов, модифицированных БЛ для носимых устройств, не требующих источников питания. Оптимальный потенциал функционирования амперометрических сенсоров на основе БЛ – около 0 В (отн. Ag/AgCl/1 M KCl). Сенсоры на основе БЛ функционируют в гальваническом режиме (рабочий электрод и ХСЭ замкнуты через амперметр). Генерируемый ток линейно зависит от концентрации H2O2, а аналитические характеристики сенсоров совпадают с таковыми для идентичных сенсоров, функционирующих по трехэлектродной схеме [Комкова М.А., Карякин А.А. Высокоэффективные (био)сенсоры на основе берлинской лазури для носимых устройств, не требующие источников питания. Acta Naturae, 2016. V. 2, P. 130]. Данная будет продолжена в 2017 году. 1.7.-1.8.Определение глюкозы и латата в конденсате выдыхаемого воздуха (КВВ) с помощью нового сенсора на пероксид водорода. Исследование корреляции между содержанием глюкозы в крови и конденсате выдыхаемого воздуха для создания основ неинвазивной клинической диагностики гипо/гипергликемии и выявление наличия алгоритмов соответствия концентрации этих метаболитов в крови и КВВ. Анализ неинвазивно собираемого КВВ, диктует необходимость сопряжения биосенсора с устройствами концентрирования. Была разработана электроаналитическая установка, позволяющая сдвинуть диапазон действия лактатного биосенсора в сторону меньших концентраций на два порядка. Установка успешно применена для анализа КВВ [Karyakina E.E., Lukhnovich A.V., Yashina E.I., Statkus M.A., Tsisin G.I., Karyakin A.A., Electroanalysis, Electrochemical Biosensor Powered by Pre-concentration: Improved Sensitivity and Selectivity towards Lactate. 2016. Electroanalysis. V. 28. P. 2389 -2393, DOI: 10.1002/elan.201600232]. Проведено определение концентрации лактата в КВВ, собираемом неинвазивно. Лактат определяли у группы спортсменов в состоянии покоя и после тяжелой физической нагрузки, после которой концентрация лактата в крови повышается в несколько раз. Установлено, что после физической нагрузки концентрация лактата в КВВ также повышается, что свидетельствует о наличии корреляции КВВ с кровью в отношении гипоксии. [Карякин А.А., Карякина Е.Е. Неинвазивная диагностика гипоксии с использованием высокоэффективных биосенсоров на основе наноструктурированных электро- и биокатализаторов. Acta Naturae. 2016. V. 2. P. 129]. Для определения концентрации глюкозы в КВВ предложено использовать метод, основанный на амперометрическом измерении скорости гомогенной реакции окисления глюкозы под действием глюкозооксидазы в режиме постоянного перемешивания. В качестве рабочего электрода используется сенсор на пероксид водорода на основе планарного электрода, модифицированного БЛ. Аналитическим сигналом являлась начальная скорость реакции, пропорциональная тангенсу угла наклона кривой накопления продукта ферментативной реакции – пероксида водорода. В пробах конденсата, собранных с использованием хлорамфеникола у здоровых доноров, обнаружена глюкоза в концентрации около 10 мкМ – в 500 раз ниже, чем в крови. Для установления корреляции между изменениями концентрации глюкозы в крови и КВВ использовали глюкозотолерантный тест. Показана возможность использования КВВ для неинвазивной оценки концентрации глюкозы в крови [Вохмянина Д.В., Никулина С.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Биоэлектрохимический анализ конденсата выдыхаемого воздуха как инструмент неинвазивной диагностики. Acta Naturae. 2016. V. 2. P. 137]. Основная часть исследований по данной теме исследования будет включена в отчет за 2 этап проекта (в 2017 году), так как основная публикация еще находится на рассмотрении в журнале (послана в печать в сентябре 2016 г). 1.9.Новый сенсорный материал с повышенной селективностью к лактату на основе темплатного синтеза боронат-замещенного полианилина. Разработаны новые сенсорные материалы на основе боронат-замещенного полианилина, обладающие высокой селективностью к сахарам и оксикислотам [Никитина В.Н., Зарянов Н.В., Карякин А.А. Высокоселективные синтетические рецепторы на основе поли(анилинборных кислот) для детекции сахаров и оксикислот. Acta Naturae. 2016. V. 2. P. 132]. Работы по созданию неферментивных сенсоров для определения лактата в поте были запланированы на 2 этап проекта, но уже начаты в 2016 г. и будут продолжены в 2017 г. Проведен импринтинг гидроксикислот в боронат-замещенный полианилин. Импринтинг позволяет направленно изменять аналитические характеристики синтетического рецептора. Чувствительность и селективность сенсоров к оксикислотам увеличивается в 10 раз при проведении полимеризации в присутствии молекул-темплатов (оксикислот) по сравнению с полимерами без молекулярных отпечатков [Зарянов Н.В., Никитина В.Н., Карякин А.А. Неферментативный сенсор на основе боронат-замещенных полианилинов для детекции лактата в поте в целях неинвазивной диагностики. Acta Naturae. 2016. V. 2. P. 136-137]. Более подробный отчет по повышению селективности боронат-функционализированных полианилинов за счет молекулярного импринтинга будет включена в отчет за 2 этап проекта (в 2017 году), так как основная публикация еще находится на рассмотрении (послана в печать в октябре 2016 г). Изготовлены лабораторные образцы планарных сенсоров на полиолы (оксикислоты и сахара) на основе трехэлектродных сенсорных структур, модифицированных новым сенсорным материалом, полученным в результате темплатного синтеза боронат-замещенного полианилина в присутствии лактата, 20 шт. Сенсоры включены в системы проточно-инжекционного анализа. Кроме того, синтетический рецептор на основе проводящего боронат-замещенного полианилина оказался пригодным для детекции микроорганизмов [Андреев Е.А., Комкова М.А., Карякин А.А. Новый принцип безреагентной регистрации аффинных взаимодействий на основе повышения проводимости проводящего полимера. Acta Naturae. 2016. V. 2. P. 130]. Используется новый принцип детекции, основанный на увеличении проводимости полимера в присутствии микроорганизмов. Такой принцип позволяет различать специфический и фоновый сигнал, поскольку в последнем случае проводимость всегда уменьшается. Сенсорный материал был успешно применен для электрохимического детектирования плесневых грибов Penicillium chrysogenum. Нижняя граница определяемого содержания микроорганизмов составила 600 колониеобразующих единиц в 1 мл (КОЕ/мл) [Андреев Е.А., Комкова М.А., Крупенин В.А., Преснов Д.Е., Карякин А.А.. Электрохимическое детектирование Penicillium Chrysogenum на основе повышения проводимости полиаминофенилборной кислоты. Электрохимия. 2017. V. 53. № 1. P. 1-5]. 1.10-1.11.Подготовка научных публикаций. Участие в Российских и Международных конференциях. В 2016 году опубликованы 14 статей, в печати еще находятся 3 статьи. В 2016 году подготовлены 2 заявки на патенты РФ. Члены научного коллектива, в том числе молодые ученые, аспиранты и студенты участвовали в российских и международных конференциях: сделано 28 докладов на 8 конференциях.

 

Публикации

1. - Ученые МГУ получили химический катализатор, перспективный для создания биосенсоров СМИ о Фонде и грантополучателях, 09 ноября 2016 (год публикации - ).

2. - Биосенсоры (NANO ) Цикл программ Наносфера. Автор (участник): Карякин А.А., 22 октября 2016 г. Цикл программ Наносфера. Биосенсоры (NANO ) Автор (участник): Карякин А.А. (год публикации - ).

3. - Химики предложили новый метод для исследования сплошности редокс-активных покрытий МГУ имени М.В. Ломоносова/наука/новости, 26/10/16 химия науки о материалах (год публикации - ).

4. - В МГУ нашли порванные пленки Лента.ru, 15:29, 28 октября 2016 (год публикации - ).

5. - Ученые получили химический катализатор, перспективный для создания биосенсоров Газета ru, 09.11.2016 | 16:52 (год публикации - ).

6. Андреев Е.А., Зарянов Н.В., Комкова М.А., Никитина В.Н., Карякина Е.Е., Карякин А.А. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕНСОРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ САХАРОВ И ГИДРОКСИКИСЛОТ. -, - (год публикации - ).

7. Андреев Е.А., Комкова М.А., Карякин А.А. Новый принцип безреагентной регистрации аффинных взаимодействий на основе повышения проводимости проводящего полимера Acta Naturae, 52, 130 (год публикации - 2016).

8. Андреев Е.А., Комкова М.А., Крупенин В.А., Преснов Д.Е., Карякин А.А. Электрохимическое детектирование Penicillium Chrysogenum на основе повышения проводимости полиаминофенилборной кислоты. Электрохимия, - (год публикации - 2017).

9. Вохмянина Д.В., Никулина С.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Биоэлектрохимический анализ конденсата выдыхаемого воздуха как инструмент неинвазивной диагностики Acta Naturae, 52, 127 (год публикации - 2016).

10. Зарянов Н.В., Никитина В.Н., Карякин А.А. Неферментативный сенсор на основе боронат-замещенных полианилинов для детекции лактата в поте в целях неинвазивной диагностики. Acta Naturae, 52, 136-137 (год публикации - 2016).

11. Карпова Е.В., Карякин А.А. Суперстабильный электрокатализатор восстановления пероксида водорода как основа высокоэффективного биосенсора. Acta Naturae, 2, 136 (год публикации - 2016).

12. Карпова Е.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Iron–nickel hexacyanoferrate bilayer as an advanced electrocatalyst for H2O2 reduction. RSC advances, 6, 103328-103331 (год публикации - 2016).

13. Карякин А.А., Карякина Е.Е. Неинвазивная диагностика гипоксии с использованием высокоэффективных биосенсоров на основе наноструктурированных электро- и биокатализаторов. Acta Naturae, 52, 129 (год публикации - 2016).

14. Карякин А.А., Карякина Е.Е., Мокрушина А.В., Андреев Е.А. Способ изготовления микробиосенсора для определения глюкозы или лактата -, 2580288 (год публикации - ).

15. Карякина Е.Е., Лухнович А.В., Яшина Е.И., Статкус М.А., Цизин Г.И., Карякин А.А. Electrochemical Biosensor Powered by Pre-concentration: Improved Sensitivity and Selectivity towards Lactate. Electroanalysis, 28, 2389 -2393 (год публикации - 2016).

16. Комкова М.А., Карпова Е.В., Сухоруков Г.А., Садовников А.А., Карякин А.А. Estimation of continuity of electroactive inorganic films based on apparent anti-Ohmic trend in their charge transfer resistance. Electrochimica Acta, 219, 588-591 (год публикации - 2016).

17. Комкова М.А., Карякин А.А. Высокоэффективные (био)сенсоры на основе берлинской лазури для носимых устройств, не требующие источников питания. Acta Naturae, 50, 130 (год публикации - 2016).

18. Комкова М.А., Малюш А., Слиозберг К., Schuhmann W., Карякин А.А. Сканирующая электрохимическая микроскопия: визуализация локальной электрокаталитической активности гексацианоферратов переходных металлов. Электрохимия, 52, 12, 1298-1304 (год публикации - 2016).

19. Комкова М.А., Малюш А., Слиозберг К., Шуманн В., Карякин А. Scanning Electrochemical Microscopy: Visualization of Local Electrocatalytic Activity of Transition Metals Hexacyanoferrates. Russian Journal of Electrochemistry, 52, 12, 1298-1304 (год публикации - 2016).

20. Никитина В.Н., Зарянов Н.В., Карякин А.А. Высокоселективные синтетические рецепторы на основе поли(анилинборных кислот) для детекции сахаров и оксикислот. Acta Naturae, 52, 132 (год публикации - 2016).

21. Никитина В.Н., Зарянов Н.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Электрополимеризация 2-аминофенилборной кислоты и применение полученного полимера для детектирования сахаров и оксикислот Электрохимия, - (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
1. Неинвазивный мониторинг диабета посредством анализа конденсата (аэрозоля) выдыхаемого воздуха. Согласно Всемирной Организации Здравоохранения, 347 миллионов людей (около 5% населения Земли) страдают от сахарного диабета. Диабет, претендующий на седьмое место по смертности, опасен в основном, своими осложнениями: атеросклерозом, почечной недостаточностью, слепотой, риском ампутаций и пр. Концентрацию глюкозы в крови является ключевым параметром для диабетиков: поддержание ее на нужном уровне позволяет отсрочить упомянутые осложнения. Неинвазивно собираемый конденсат выдыхаемого воздуха (КВВ), известный как экскреторная жидкость с высоким диагностическим потенциалом, не рассматривался как подходящий кандидат для мониторинга диабета ввиду, как сообщалось, низких концентраций глюкозы в КВВ (0.1–0.2 μM). Сообщаемые по глюкозе степени разбавления относительно крови находятся однако в противоречии со степенями разбавления по лактату и, что особенно важно, по неорганическим ионам, которые можно считать внутренними стандартами для экскреторных жидкостей. Мы показали, что конденсат воздуха, выдыхаемого здоровыми людьми, содержит глюкозу на уровне 0.01 мМ. Мы также установили причину, по которой сообщалось о заниженной на два порядка концентрации глюкозы: это поглощение (метаболизация) глюкозы в КВВ. Следовательно, корректный сбор КВВ возможен только в присутствии ингибитора метаболизации глюкозы. Следует отметить, что существующие малоинвазивные мониторы глюкозы требуют калибровки каждые один-два дня. Такая «калибровка» включает отбор крови с последующим анализом на содержание глюкозы. Таким образом, периодический отбор крови для калибровки не дезавуирует диагностического метода, который тем не менее может сохранять название «неинвазивный». Соответственно, достаточным для неинвазивной диагностики будет корреляция степени изменения концентрации метаболита в экскреторной жидкости с соответствующими значениями в крови. Мы показали, что увеличение концентрации глюкозы в крови вызывает соответственное повышение содержания глюкозы в КВВ. Установленная положительная корреляция между степенями увеличения глюкозы в КВВ и крови открывает перспективы создания метода для неинвазивного мониторинга диабета. A.A.Karyakin, S.V.Nikulina, D.V.Vokhmyanina, E.E.Karyakina, E.Kh.Anayev, A.G.Chuchalin Electrochemistry Communications 83 (2017) 81-84. Публикация пресс-релиза по данной статье пресс службой МГУ имени М.В. Ломоносова вызвала большой интерес средств массовой информации. В частности, соответствующий видеосюжет с интервью профессора А.А. Карякина передали в своих новостях телеканалы Россия-1 и НТВ. 2. Улучшенные аналитические характеристики (био)сенсоров на основе Берлинской лазури в режиме генерации мощности. В противовес самозапитываемым (“self-powered”) (био)сенсорам, целью которых является достижение максимальной мощности, мы предлагаем системы с минимальной разностью потенциалов между рабочим и вспомогательным электродом, которые в режиме гальванической ячейки должны обеспечить достижение наилучших аналитических характеристик. Сенсоры и биосенсоры на основе Берлинской лазури, которые, как известно, работают при потенциале 0.00 В относительно хлорсеребряного (Ag|AgCl) электрода сравнения, являются наилучшими кандидатами для этой цели. Преимуществами электродов, модифицированных Берлинской лазурью, по сравнению с платиной, наиболее широко используемой для детекции пероксида водорода, являются: (а) на 3 порядка более высокая активность в реакциях как окисления, так и восстановления H2O2, характеризуемая в 1000 раз большей электрохимической константой, что обеспечивает существенно более высокую чувствительность, и (б) на 3 порядка величины более высокая селективность к восстановлению пероксида водорода в присутствии кислорода. Эти уникальные свойства электрокатализатора позволяют разрабатывать высокоэффективные сенсоры и биосенсоры. Будучи закороченными через амперметр, (био)сенсоры на основе Берлинской лазури генерируют ток, пропорциональный концентрации анализируемого вещества. В дополнение к существенному упрощению процедуры измерения (использование амперметра вместо потенциостата), режим генерации мощности обеспечивает дальнейшее существенное улучшение аналитических характеристик. Чувствительность и диапазон определяемых концентраций (био)сенсоров на основе Берлинской лазури в режиме генерации мощности, соответственно, несколько выше и шире по сравнению с теми же биосенсорами, работающими в традиционном трех-электродном режиме, будучи включенными через потенциостат. Селективность (био)сенсоров в режиме генерации мощности сохраняется такой же высокой как по кислороду, позволяя детектировать H2O2 по его восстановлению, так и по отношении к восстановителям. Наиболее занчительным преимуществом предлагаемого режима генерации мощности является на порядок улучшенное соотношение сигнал : шум по сравнению с включением по трехэлектродной схеме через потенциостат. M.A. Komkova, E.E. Karyakina, A.A. Karyakin. Analytical Chemistry 89 (2017) 6290−6294. 3. Молекулярный импринтинг боронат-замещенного полианилина для неферментативного селективного детектирования сахаров и оксикислот. Недостатком подавляющего большинства безреагентных афинных сенсоров является практическое отсутствие селективности, поскольку и специфическое связывание, и неспецифические взаимодействия генерируют отклик в одну и ту же сторону, как правило, приводя к увеличению сопротивления. Нами с использованием молекулярного импринтинга синтезирован материал, генерирующий повышение проводимости в ответ на специфические взаимодействия, в то время как неспецифическое реакции и деградация материала приводят к откликам в противоположном направлении, понижения проводимости. Электрополимеризация 3-аминофенилбензойной кислоты (3-АФБК), приводящая, насколько было известно ранее, к синтезу проводящего полимера исключительно в присутствии фторид-иона (F−), была осуществлена заменой последнего на оксикислоту. Синтез электрон-проводящего полимера в процессе бесфторидной электрополимеризации 3-АФБК подтверждает успешный импринтинг оксикислот в полимер. Импринтинг поли(3-АФБК) обеспечивает как в 10–15 повышенные, так и пониженные константы связывания с полиолами, позволяя достичь требуемую селективность. Настраивая связывающие свойства боронат-замещенного полианилина, мы продемонстрировали возможность неферментативной селективной детекции сахаров и гидроксикислот по увеличению проводимости полимера. V.N. Nikitina, N.V. Zaryanov, I.R. Kochetkov, E.E. Karyakina, A.K. Yatsimirsky, A.A. Karyakin. Sensors & Actuators B 246 (2017) 428–433. 4. Неферментативный сенсор для определения концентрации лактата в поте. Неинвазивная диагностика крайне важна как для клинической, так и спортивной медицины. Ранее нами было показано, что увеличение лактата в крови в процессе теста «на отказ» вызывает соответствующее увеличение лактата в поте (D.A. Sakharov, M.U. Shkurnikov, M.Y. Vagin, E.I. Yashina, A.A. Karyakin, A.G. Tonevitsky. Bull. Exp. Biol. Med., 150 (2010) 83-85.), открывая возможность неинвазивной диагностики гипоксии. Несмотря на успешное детектирование лактата в поте при помощи биосенсоров, включая разработанный нами неинвазивный монитор гипоксии (M.M. Pribil, G.U. Laptev, E.E. Karyakina, A.A. Karyakin, Analytical Chemistry, 86 (2014) 5215-5219), низкая стабильность фермента лактат оксидазы стимулирует интерес к разработке химических сенсоров. Соответственно, для неинвазивной диагностики гипоксии мы разработали неферментативный сенсор на основе планарных структур с рабочим электродом, модифицированным электрополимеризацией 3-аминофенилбензойной кислоты (3-АФБК) с импринтингом лактата. Импедиметрический сенсор позволяет определять концентрацию лактата в диапазоне от 3 мМ до 100 мМ с пределом обнаружения 1.5 мМ; время отклика составляет 2-3 минуты. Чувствительность сенсора сохраняется неизменной при хранении будучи незапечатанным в сухом состоянии в течение 6 месяцев, что недостижимо для устройств на основе ферментов. Для сравнения, биосенсор на основе лактат оксидазы при аналогичных условиях хранения теряет 50% своей чувствительности уже через 10 дней. Анализ человеческого пота на содержание лактата при помощи сенсора на основе поли(3-АФБК) оказывается возможным благодаря (а) намного большей концентрации лактата по сравнению с другими полиолами и (б) высокой селективности сенсора (K < 3 × 10−2). Успешное определение концентрации лактата в человеческом поте с использованием сенсора на основе поли(3-АФБК) подтверждено применением независимого высокоспецифичного метода на основе фермента лактат оксидазы (коэффициент корреляции r > 0.9). Аналитические характеристики неферментативного сенсора на основе поли(3-АФБК) указывают не перспективность их применения для неинвазивного клинического анализа и спортивной медицины. N.V. Zaryanov, V.N. Nikitina, E.V. Karpova, E.E. Karyakina, A.A. Karyakin. Analytical Chemistry 89 (2017) 11198-11202. 5. Новые протоколы иммобилизации глюкозооксидазы и лактат оксидазы в пленки электрополимеризованных N-замещенных пирролов. Использование электрохимических реакций, нельзя считать целесообразным с точки зрения массового производства биосенсоров. Однако для создания микро-биосенсоров, когда сложно нанести каплю фермент-содержащего раствора на нужный участок сенсора, электрохимическая иммобилизация становится наиболее технологичным процессом. Преимуществами электрополимеризации являются как стабильность из-за включения фермента в полимер, так и адресность иммобилизации. Аналитические характеристики биосенсоров на лактат и глюкозу на основе соответствующих оксидаз, иммобилизованных в N-замещенные полипирролы, сравнимы с характеристиками биосенсоров, полученных по методике иммобилизации ферментов с экспозицией в водно-органические смеси с высоким содержанием органического растворителя. Чувствительность биосенсора на лактат для оптимального полипиррола составляет 0.19 ± 0.02 A ∙M-1 ∙см-2 , диапазон определения лактата 5·10-7 – 5·10-4 М. Для глюкозы, чувствительность биосенсора 0.044 ± 0.004 A ∙M-1 ∙см-2, диапазон определения глюкозы -5·10-6 –5·10-3М.

 

Публикации

1. - Грант на мошенничество: бизнесмены крадут технологии у ученых. indicator.ru, 26 июня 2017 г. (год публикации - ).

2. - Диабет можно контролировать по выдыхаемому воздуху indicator.ru, 01.11.2017 (год публикации - ).

3. - МГУ работает над новыми удобными тест-полосками Журнал "Э Вести Культурно-политический журнал", 20 апреля 2017 г. (год публикации - ).

4. - Российские ученые разработали биосенсоры для неинвазивного мониторинга глюкозы и лактата indicator.ru, 9 февраля 2017 г. (год публикации - ).

5. - Жизнь не сахар. Новая разработка российских ученых облегчит жизнь миллионам диабетикам НТВ Сегодня, 14 ноября 2017 (год публикации - ).

6. - Неинвазивная диагностика диабета Утро России, Россия 1, 20-11-2017 (год публикации - ).

7. - Медицинские гаджеты. Неинвазивный метод мониторинга диабета. (интервью) Карякин А.А. Медиаметрикс, 3 ноября 2017 г. (год публикации - ).

8. - Биосенсоры смогут работать без внешней подзарядки Интернет издание "Индикатор.ру", 14 августа 2017 г. (год публикации - ).

9. - «Химики разработали биосенсоры для неинвазивного мониторинга глюкозы и лактата» Газета.ру, 2 марта 2017 г (год публикации - ).

10. - Учёные МГУ: Диабет можно контролировать по выдыхаемому воздуху МГУ пресс-релиз, 01 ноября 2017 (год публикации - ).

11. - Больше никаких уколов: российские химики научились выявлять диабет по выдоху Вести.RU, 3 ноября 2017 (год публикации - ).

12. - Ученые МГУ предложили новый способ определения уровня глюкозы в крови medvestnik.ru, 01ноября 2017 (год публикации - ).

13. Андреев Е. А., Комкова М. А., Никитина В. Н., Зарянов Н. В., Карякина Е. Е., Карякин А. А. Способ изготовления сенсоров для определения концентрации сахаров и гидроксикислот Решение о выдаче патента по заявке №2016147032, 10 августа, 2016147032/15 (год публикации - 2017).

14. Андреев Е.А. Электрохимический сенсор на основе поли(3-аминофенилборной кислоты) для обнаружения микроорганизмов Москва, - (год публикации - 2017).

15. Андреев Е.А., Комкова М.А., Карякин А.А. Детектирование микроорганизмов с использованием имитации биологической аффинности на основе боронат-замещенного проводящего полианилина БИОТЕХНОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ материалы IX международного конгресса. 2017. Издательство: ООО "РЭД ГРУПП", Материалы конференции, том 2, с.371-372 (год публикации - 2017).

16. Зарянов Н.В., Никитина В.Н., Карпова Е.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Nonenzymatic Sensor for Lactate Detection in Human Sweat Analytical Chemistry, 89, 11198-11202 (год публикации - 2017).

17. Карпова Е.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Accessing Stability of Oxidase-Based Biosensors via Stabilizing the Advanced H2O2 Transducer Journal of the Electrochemical Society, том 164, № 5, с. B3056-B3058 (год публикации - 2017).

18. Карякин А.А. Advanced electrochemical biosensors based on nano‐scaled electro‐ and biocatalysts Nanomaterials for Life Sciences, Batteries and Catalysis Villa Eberhardt, Heidenheimerstrasse 80, Ulm, Германия, 16-20 октября 2017, материалы конференции, с 35-37 (год публикации - 2017).

19. Карякин А.А. Advanced biosensors for non-invasive diagnostics IX Международный конгресс «Биотехнологии: состояние и перспективы развития», Гостиный Двор, ул. Ильинка, 4, Россия, 20-22 февраля 2017 Издательство: ООО "РЭД ГРУПП", - (год публикации - 2017).

20. Карякин А.А. Электрохимические (био)сенсоры на основе наноразмерных пленок и наноструктур электро- и биокатализаторов XVIII Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых имени Л. П. Кулёва «Химия и химическая технология в XXI веке», Томск, Россия, 29 мая - 1 июня 2017, - (год публикации - 2017).

21. Карякин А.А. Advances of Prussian blue and its analogues in (bio)sensors Current opinion in electrochemistry, - (год публикации - 2017).

22. Карякин А.А., Карякина Е.Е., Никитина В.Н., Зарянов Н.В. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СЕНСОРНОГО МАТЕРИАЛА И СЕНСОРА НА ЕГО ОСНОВЕ Заявка на изобретение №2017114420, 25 апреля, №2017114420 (год публикации - 2017).

23. Карякин А.А., Никулина С.В., Вохмянина Д.В., Карякина Е.Е., Анаев Э.Х., Чучалин А.Г. Non-invasive monitoring of diabetes through analysis of the exhaled breath condensate (aerosol) Electrochemistry Communications, том 83, с. 81-84 (год публикации - 2017).

24. Комкова М.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Noiseless Performance of Prussian Blue Based (Bio)sensors through Power Generation Analytical Chemistry, том 89, № 12, с. 6290-6294 (год публикации - 2017).

25. Комкова М.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Способ определения концентрации пероксида водорода с помощью сенсоров на основе Берлинской лазури в режиме генерации мощности заявка на патент РФ, 2017138312 (год публикации - 2017).

26. Никитина В. Н., Зарянов Н.В., Кочетков И.Р., Карякина Е.Е., Яцимирский А.К., Карякин А.А. Molecular imprinting of boronate functionalized polyaniline for enzyme-free selective detection of saccharides and hydroxy acids Sensors and Actuators, B: Chemical, том 246, с. 428-433 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
3 этап. Тест-системы для неинвазивной диагностики гипоксии и гипо-гипергликемии по детекции лактата и глюкозы в КВВ и поте. Научной группой руководителя проекта на протяжении последних 25-и лет разработаны новые научные направления по ключевым аспектам создания биосенсоров. [Karyakin A.A. Advances of Prussian blue and its analogues in (bio) sensors. Current opinion in electrochemistry 2017, том 5, № 1, с. 92-98 DOI: 10.1016/j.coelec.2017.07.006)]. Проект продолжает исследования по внедрению биосенсоров в системы неинвазивной диагностики. Все заявленные работы выполнены полностью. 1.Создание лабораторного образца анализатора пота на содержание лактата, основанного на неферментативном сенсоре, для контроля гипоксии; Импедиметрический неферментативный сенсор на основе поли(аминофенилборной кислоты) с молекулярными отпечатками лактата был адаптирован для работы в режиме хроноамперометрии или хронопотенциометрии в проточно-инжекционном режиме. Замена импедиметрического детектирования повышает экспрессность и снижает стоимость анализа. Амперометрический сенсор испытан для определения концентрации лактата в поте в сравнении с высокоселективным биосенсором на основе лактат оксидазы. Коэффициент корреляции Пирсона составил 0.95. При физических нагрузках повышается уровень лактата в 2-6 раз, что подтверждено независимым методом сравнения. Получено положительное решение о выдаче патента РФ по заявке, поданной 25.04.2017 “Способ изготовления сенсорного материала и сенсора на его основе “ N2017114420/28. 2. Создание прототипа неинвазивного монитора гипоксии с использованием проточного потосборника с интегрированным биосенсором на основе инженерии лактатоксидазы; Изготовлен прототип потосборника, пригодный для интеграции планарных биосенсоров, функционирующих в проточном режиме, и электронного блока для записи и передачи сигнала. Также разработана проточная тонкослойная ячейка и планарный биосенсор на лактат. Потосборник может быть изготовлен как вручную из цельного оргстекла, так и, при помощи 3D-печати из пластика. В проекте ранее был продемонстрирован альтернативный принцип детекции аналитов в режиме генерации мощности, позволяющий отказаться от использования потенциостата и тем самым упростить процедуру регистрации сигнала. Новый принцип регистрации основан на использовании планарных структур в режиме двухэлектродной схемы, при этом аналитические характеристики биосенсоров не уступают таковым при использовании потенциостата, а соотношение сигнал/шум возрастает до 10 раз. Монитор представляет собой миниатюризированную проточную систему: через капилляр, одно из отверстий которого прилегает к коже пациента, а другое служит в качестве «отвода» жидкости, проходит пот, а вдоль капилляра располагается лактатный биосенсор. Прототип неинвазивного монитора осуществляет мониторирование содержания лактата в неразбавленном поте в диапазоне от 0.1 мМ до 80 мМ лактата в течение 2 часов непрерывных измерений без потери исходной активности. Работа монитора в поте апробирована в режиме реального времени в состоянии покоя и при физической нагрузке (контроль гипоксии). Результаты тестирования монитора сопоставлены с аналогичными данными, полученными альтернативным методом проточно-инжекционного анализа лактата биосенсором на основе БЛ. Наблюдается высокая корреляция результатов: коэффициент Пирсона составил 0.993 (P=0.95, n = 8). Прототип неинвазивного монитора гипоксии прошел клинические испытания с участием спортсменов (Институт физкультуры и спорта и Центр подготовки сборных команд Москомспорта). Подготовлено техническое задание на монитор гипоксии для последующих НИОКР (см. Приложение). 3. Выявление корреляции между концентрациями глюкозы в поте и крови для неинвазивного мониторинга диабета и создание прототипа монитора гипо-гипергликемии. Корреляция между изменениями концентраций глюкозы в поте и крови не имеет достоверного подтверждения в литературе. Установление этой корреляции позволит разработать прототип неинвазивного монитора гипо-гипергликемии на основе анализа пота на содержание глюкозы. Монитор даст возможность следить за содержанием глюкозы в крови больных сахарным диабетом, особенно во время сна, когда резкие колебания этого параметра становятся опасными для их жизни. Корреляция между концентрациями глюкозы в поте и крови исследована двумя альтернативными методами: в разбавленном поте - методом ПИА с включенными биосенсорами, разработанными на 1-2 этапах проекта и в неразбавленном поте – в проточной системе с тонкослойной ячейкой с глюкозным биосенсором. По данным, полученным для 19 добровольцев в режиме ПИА, концентрация глюкозы в поте в десятки раз ниже, чем в крови (от 30 до 200 мкМ глюкозы, медиана – 7·10-5 М глюкозы). Использование глюкозотолерантного теста позволило повысить концентрацию глюкозы в крови и поте добровольцев через 60 минут после его начала и выявить положительную корреляцию между изменениями концентрации глюкозы в крови и поте (r = 0.74). Конструкция неинвазивного монитора гипоксии использована для создания прототипа монитора гипо-гипергликемии с включением биосенсора на глюкозу. Монитор для непрерывного определения глюкозы в неразбавленном поте, имеет следующие аналитические характеристики: S = 24±2 мA·M-1·cм-2 (n = 3, P = 0,95), ДОК 5 мкМ – 1 мМ глюкозы, cмин = 4,5 мкМ. Для проверки правильности работы биосенсора в неразбавленном поте, выполнено сравнение результатов анализа глюкозы, полученных с помощью неинвазивного монитора и альтернативного метода (ПИА). rПирсон>0.99 (n=12, P=0.95). Подготовлена статья: Elena V. Karpova, Elizaveta V. Shcherbacheva, Andrei A. Galushin, Darya V. Vokhmyanina, Elena E. Karyakina, Arkady A. Karyakin*. Non-invasive monitoring of diabetes using advanced flow-through glucose biosensor. 4. Создание прототипа портативного устройства для отбора КВВ с интегрированным электрохимическим (био)сенсором. Разработана электроаналитическая система и изготовлен прототип портативного устройства для экспрессного определения концентрации глюкозы в КВВ. Для конденсации выдыхаемого человеком аэрозоля предлагается использовать элементы Пельтье, что позволит температурно-контролируемо и воспроизводимо осуществлять отбор КВВ. Для электроанализа предлагается интегрировать в ячейку для отбора КВВ высокоэффективные, т.е. чувствительные, селективные и стабильные биосенсоры на основе Берлинской лазури (БЛ), разработанные на 1 и 2 этапах проекта. Проведена апробация электроаналитической системы, совмещающей системы отбора образца и регистрации электрохимического сигнала, на примере определения глюкозы. Биосенсоры для определения глюкозы демонстрируют сходные аналитические характеристики при анализе в фосфатном буфере (с=1.4 мкМ) и неразбавленном КВВ (с=1,0 мкМ). Данные электрохимического определения концентрации глюкозы в КВВ коррелируют с данными метода ВЭЖХ МС: с использованием максимума тока в качестве аналитического сигнала – с линейным коэффициентом корреляции Пирсона 0.95 (P=0.95, f=4). Cледовательно разарботанный прототип может быть эффективно использован для определения концентраций ключевых метаболитов в выдохе человека при решении задач неинвазивной диагностики. 5. Исследование коммерческого потенциала разработанных биосенсоров и тест-систем. (Био)сенсоры на основе БЛ превосходят имеющиеся на рынке аналоги по аналитическим характеристикам, а также несомненно являются на несколько порядков более дешевыми в сравнении с использующимися в современных устройствах биосенсорами на основе платины. Несмотря на привлекательность использования БЛ в качестве трансдьюсера, новой разработке будет сложно найти здесь свою нишу, поскольку рынок глюкометров переполнен. Имеющиеся в продаже персональные устройства обладают примерно одинаковыми характеристиками (анализ капли крови объемом 1-2 мкл занимает чуть менее 10 секунд, точность анализа в среднем составляет 20%) и имеют стоимость около 1000 рублей. Что касается лабораторных анализаторов глюкозы и лактата, то отечественные практически не представлены на рынке, а в имеющихся используются зарубежные картриджи, цена которых варьирует от 5 до 10 тысяч рублей. Таким образом, в данном случае имеется возможность для внедрения биосенсоров на основе БЛ для замены импортных картриджей. Аналогов разработанным в проекте тест-системам для неинвазивной диагностики на данный момент не существует. 6. Синтез нанозимов «искусственная пероксидаза»: наночастиц (НЧ) берлинской лазури (БЛ) с ферментной активностью. Для имитации фермента пероксидазы синтезированы наночастицы БЛ, обладающие характеристиками, присущими природным ферментам: (I) высокой специфичностью, в том числе отсутствием оксидазной активности, (II) возможностью работы в физиологических рН, (III) сверх-высокой каталитической активностью. Каталитическая константа синтезированных наночастиц пропорциональна их объему, вплоть до двухсот раз превосходя таковую для природной пероксидазы: для частиц с d=80 нм kкат = 1.2·104·с-1. Наночастицы сохраняют до 80% первоначальной каталитической активности при хранении в растворе около года, а сухой препарат может храниться при комнатной температуре неограниченно долго. [Komkova Maria A., Karyakina Elena E., Karyakin Arkady A. Catalytically synthesized Prussian Blue nanoparticles defeating natural enzyme peroxidase. Journal of the American Chemical Society, 140 (2018) 11302]. 7. Подготовка научных публикаций и патентов. Опубликовано 8 статей. Статья по разделу 3.8. опубликована в журнале JACS с импакт- фактором 14.3. Получено положительное решение о выдаче патента РФ по заявке, от 25.04.2017 “ Способ изготовления сенсорного материала и сенсора на его основе “ N2017114420/28 и заявки от 03.11.2017г. “ Способ определения концентрации пероксида водорода в растворе“. Поданы 2 новые заявки. 8. Участие в Российских и Международных конференциях, конкурсах работ молодых ученых. Защита кандидатских диссертаций Молодые ученые и студенты, приняли участие в конференции Ломоносов-2018, в 28 Менделеевской конференции (Новосибирск, май 2018г.), аспиранты Комкова М.А. и Карпова Е.В. стали победителями конкурса Умник-2017. Сделано по 6 докладов на международной конференции по электроанализу (Родос, Греция) в июне 2018 г. и IV конференции “Биотехнология: наука и практика” (Мисхор, Крым). Руководитель гранта Карякин А.А. (приглашенный доклад) и молодые ученые Комкова М.А. и Андреев Е.А. приняли участие в Совещании Международного электрохимического общества (Болонья, Италия). Никитина В.Н. участвовала в 38 Международной конференции по современным электрохимическим методам в Чехии (май, 2018 г.). Андреев Е.А. - победитель конкурса грантов РНФ для молодых ученых (2018 г.), Комкова М.А. – победитель конкурса грантов РФФИ для молодых ученых (2018 г). Студентка Вера Шавокшина (4 курс) получила повышенную академическую стипендию за успехи в учебе и научной работе. В 2018 году были представлены и прошли защиту диссертации: Комкова М.А. “Наноразмерные пленки и наночастицы катализаторов на основе гексацианоферратов переходных металлов для высокоэффективных (био)сенсоров”. Никитина В.Н. “Электрохимические cенсоры на сахара и гидроксикислоты на основе поли(аминофенилборных кислот) “.

 

Публикации

1. Андреев Е.А., Комкова М.А., Шавокшина В.А., Преснов Д.Е., Крупенин В.А., Карякин А.А. Reagentless Microsensor Based on Conducting Poly(3-aminophenylboronic Acid) for Rapid Detection of Microorganisms in Aerosol Electroanalysis, том 30, № 4, с. 602-606 (год публикации - 2018).

2. Вохмянина Дарья Владимировна, Андреев Егор Андреевич, Карякина Елена Евгеньевна, Карякин Аркадий Аркадьевич БИОСЕНСОР ДЛЯ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ И ЛАКТАТА В КРОВИ -, Заявка на изобретение №2018104872 (год публикации - ).

3. Д. В. Вохмянина, А.И. Королев, М.А. Могильникова, Е.Е. Карякина БИОСЕНСОР ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛЮКОЗЫ С УЛУЧШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ Актуальная биотехнология, том 26, № 3, с. 72-75 (год публикации - 2018).

4. Дарья Владимировна Вохмянина, Елена Евгеньевна Карякина, Егор Андреевич Андреев, Аркадий Аркадьевич Карякин Мультибиосенсор на основе берлинской лазури для одновременного определения глюкозы и лактата в тонкослойной проточно-инжекционной системе Вестник Московского университета. Серия 2: Химия, том 59, № 5, с. 337-344 (год публикации - 2018).

5. Карпова Е.В., Галушин А.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Способ изготовления высокостабильного покрытия сенсора на пероксид водорода -, 2018142226 (год публикации - ).

6. Карпова Е.В., Щербачева Е.В., Галушин А.А., Вохмянина Д.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Noninvasive Diabetes Monitoring through Continuous Analysis of Sweat Using Flow-Through Glucose Biosensor Analytical Chemistry, том 91, № 6, с. 3778-3783 (год публикации - 2019).

7. Карпова Е.В., Щербачева Е.В., Тихонов Д.В., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Неинвазивный мониторинг глюкозы в поте с помощью высокоэффективных биосенсоров Актуальная биотехнология, том 26, № 3, с. 61-65 (год публикации - 2018).

8. Карякин А.А. ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ БИОСЕНСОРЫ ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ Актуальная биотехнология, том 26, № 3, с. 125-125 (год публикации - 2018).

9. Карякина Е.Е., Карякин А.А. ТЕСТ-СИСТЕМЫ МНОГОРАЗОВОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДЛЯ НЕИНВАЗИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ НА ОСНОВЕ ВЫСОКОЭФЕКТИВНЫХ СЕНСОРОВ И БИОСЕНСОРОВ Актуальная биотехнология, том 26, № 3, с. 80-84 (год публикации - 2018).

10. Комкова М.А. Наноразмерные пленки и наночастицы катализаторов АВТОРЕФЕРАТ, - (год публикации - 2018).

11. Комкова М.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Power Generation versus Conventional Potentiostatic Operation of Prussian Blue Based (Bio)Sensors Electroanalysis, том 30, № 4, с. 607-610 (год публикации - 2018).

12. Комкова М.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Catalytically synthesized Prussian Blue nanoparticles defeating natural enzyme peroxidase Journal of the American Chemical Society, том 140, с. 11302-11307 (год публикации - 2018).

13. Комкова М.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Способ определения концентрации пероксида водорода в растворе -, 2017138312/28(066855) (год публикации - ).

14. Никитина В.Н. Электрохимические сенсоры на сахара и гидроксикислоты на основе поли(аминофенилборных кислот) АВТОРЕФЕРАТ, - (год публикации - 2018).


Возможность практического использования результатов
В проекте заложены научные основы создания новых типов носимых устройств для неинвазивного мониторинга патологий на основе непрерывного анализа пота на содержание ключевых метаболитов. Особо важным для диагностики является развитие новых неинвазивных методов, исключающих не только повреждение кровеносных сосудов, но и повреждение кожных покровов. Эти методы полностью безболезненны, а также, что наиболее важно, исключают риск заражения и травмирования пациентов. На рынке неинвазивные мониторы полностью отсутствуют. Лабораторные образцы мониторов апробированы для контроля гипоксии (детекция лактата) и диабета (детекции глюкозы). В проекте выявлены корреляции между степенью изменения концентраций метаболитов в неинвазивно собираемом поте и крове, что считается достаточным для диагностики. Созданные в проекте технологии позволят разработать прототипы неинвазивных мониторов, а также приступить к их серийному производству. Неинвазивные мониторы диабета позволят улучшить качество жизни для многих сотен миллионов людей, вынужденных отбирать себе кровь ежедневно, а то и несколько раз в день. Непрерывный мониторинг также позволит уменьшить смертность из-за скачков концентрации глюкозы в крови, например, в период сна. Неинвазивные мониторы гипоксии на основе непрерывной детекции лактата будут востребованы в самых разных сферах человеческой деятельности. В медицине они позволят контролировать патологические состояния, а также контролировать реабилитацию сердечно-сосудистых больных. В опасных профессиях – независимо контролировать утомляемость. Разработанные мониторы состояния гипоксии позволят разработать персонифицированный подход к тренировкам спортсменов, что будет способствовать бездопинговому спорту высших достижений. В проекте также заложены основы создания нанозимов, имитирующих фермент пероксидазу. Иммуно- и ДНК- (РНК-) сенсоры, а также аналитические наборы на основе афинных взаимодействий являются неотъемлемой частью жизнедеятельности современного общества, поскольку используются в самых различных его сферах от медицины до сельского хозяйства. Для генерации аналитического сигнала подобными устройствами необходимо использовать метки, в качестве которых наиболее перспективно использовать ферменты. Последние позволяют наиболее существенно усилить сигнал от единичной биомолекулы и, таким образом, понизить предел обнаружения целевого аналита. Бесспорное лидерство среди ферментативных меток занимают пероксидазы. Таким образом, результат проекта позволит заменить природные ферменты пероксидазы в диагностике, используя для этих целей нанозимы «искусственная пероксидаза». Производство таких нанозимов позволит качественно изменить рынок современных диагностических систем.