Каталитические биомиметики и электрохимические режимы для носимых анализаторов метаболитов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 24-73-10015

НазваниеКаталитические биомиметики и электрохимические режимы для носимых анализаторов метаболитов

Руководитель Комкова Мария Андреевна, Кандидат химических наук

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

Конкурс №98 - Конкурс 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-205 - Аналитическая химия

Ключевые слова Носимые устройства, электрохимические (био)сенсоры, амперометрические режимы, импульсная регистрация сигнала, биомиметики, ферменты, неинвазивная медицинская диагностика, персонализированная медицина

Код ГРНТИ31.19.00, 31.15.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку носимых анализаторов метаболитов для неинвазивной персонифицированной диагностики. Тогда как традиционно внимание исследователей сосредоточено на разработке биосенсорной компоненты анализатора, для считывания электрохимических сигналов прибегают к стандартным режимам стационарной хроноамперометрии/потенциометрии. В Проекте, помимо разработки биосенсорных материалов нового поколения, будут предложены прогрессивные электрохимические режимы для их надежного функционирования в составе носимых устройств. Режим ультракоротких импульсов обеспечит работу амперометрических сенсоров в условиях, близких к кинетическому контролю, тем самым увеличив чувствительность и сведя к минимуму зависимость отклика от гидродинамических условий. Помимо этого, импульсная амперометрия позволит существенно снизить инактивацию чувствительного слоя, обеспечивая эффективный транспорт продукта с его поверхности. Для корректировки эффектов, вызванных изменением условий конвекции или инактивацией сенсора, будут предложены режимы синхронной мультиканальной регистрации и обработки сигнала. Перечисленные подходы будут реализованы как для систем с модельными редокс-медиаторами, так и адаптированы для фермент-содержащих биосенсорных платформ (с использованием ферментов оксидаз, глюкозодегидрогеназ и биферментных систем на их основе), разрабатываемых для мониторинга ключевых метаболитов (глюкозы и лактата). В качестве более эффективного аналога пероксидазы планируется использовать каталитические биомиметики на основе берлинской лазури. Синтез наночастиц с молекулярными отпечатками гидропероксидов позволит регулировать микропористость – а значит, эффективность транспорта в объеме биомиметика и его интегральную активность. С целью установления закономерностей формирования таких наноматериалов каталитическим и традиционным методами будет проведено спектроэлектрохимическое исследование с использованием спектроскопии комбинационного рассеяния, а также осуществлен синтез биомиметиков с in situ спектроскопическим контролем в специально спроектированных микрофлюидных ячейках. На основе каталитических миметиков и ферментов оксидаз будут разработаны биосенсоры для детекции метаболитов с «настраиваемым» рабочим диапазоном. Управление линейным диапазоном сенсора будет осуществлено за счет как варьирования состава фермент-содержащего покрытия, так и применения предложенных импульсных схем регистрации сигнала. Адаптивность биосенсорных платформ позволит использовать их для широкого круга объектов: от анализа крови до мониторинга состава пота. Будут созданы биосенсоры нового поколения на основе глюкозодегидрогеназ и полиазиновых красителей, несущих фрагменты ко-субстратов ферментов. Реализация режима ультракоротких импульсов для систем, основанных на явлении прямого биоэлектрокатализа глюкозодегидрогеназами, позволит преодолеть ключевую проблему, сдерживающую их внедрение, – невысокую каталитическую активность иммобилизованных ферментов (особенно ФАД-зависимых). Сопоставление характеристик биосенсоров в импульсных режимах для принципиально разных механизмов сопряжения ферментативной и электродной реакций оксидаз и дегидрогеназ позволит выявить физико-химические закономерности и ограничения их работы. В результате, будут разработаны биосенсорные платформы (в т.ч. функционирующие по принципу топливного элемента) для широкого круга диагностических задач, включая системы непрерывного контроля метаболитов и тест-полоски. В завершении работ по оптимизации импульсных режимов разработанные биосенсоры будут протестированы в составе нательных анализаторов глюкозы и лактата в поте. Предложенные режимы будут реализованы в компактном гаджете, передающем показания на мобильный телефон в режиме реального времени. С его помощью будут показаны преимущества новых режимов для неинвазивного контроля гипергликемии и гипоксии в сравнении с традиционной стационарной хроноамперометрией.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В результате выполнения первого этапа Проекта проведено комплексное физико-химическое исследование каталитических миметиков пероксидазы на основе берлинской лазури, синтезированных различными методами: электрохимическими, «традиционными» химическими и в ходе каталитической реакции с использованием молекулярных темплатов. Сопоставление данных капиллярной конденсации азота, спектроскопии комбинационного рассеяния и электрохимических измерений электроактивности и электрокаталитической активности, а также результатов спектроэлектрохимического in situ исследования образцов позволили: 1) выявить влияние дефектности, удельной площади поверхности и размера пор на активность миметика, 2) предположить механизм формирования структур с высокой электрокаталитической активностью за счет неполного координационного окружения атома железа лигандами, 3) установить предпочтительный способ формирования миметика с управляемой микропористостью и электрокаталитической активностью. Впервые продемонстрирована возможность увеличения операционной стабильности сенсоров на основе берлинской лазури исключительно за счет применения электрохимического режима регистрации сигнала. С одной стороны, импульсная генерация гидроксид-ионов (продукта электрокаталитического восстановления пероксида водорода) позволяет нивелировать эффект локального увеличения рН, влекущего за собой деградацию материала катализатора. С другой стороны, в межимпульсном интервале происходит реокисление каталитически активной формы берлинского белого пероксидом водорода до более устойчивой полуокисленной формы берлинской лазури. Примечательно, что импульсная регистрация сигнала обеспечивает более высокую устойчивость миметика в высоких концентрациях Н2О2, в противовес работе сенсора в условиях стационарной генерации ОН-, в случае которой снижение устойчивости катализатора пропорционально содержанию пероксида водорода в анализируемом растворе. Во всем диапазоне детектируемых содержаний константа инактивации катализатора в режиме импульсной генерации мощности от 5 до 1000 раз ниже, чем в традиционном режиме хроноамперометрии. С использованием наиболее электрокаталитически активных миметиков и ферментов оксидаз разработаны биосенсоры для детекции ключевых метаболитов, включая глюкозу и лактат, с линейным диапазоном, «настраиваемым» под определенную биологическую жидкость. Показано, что снижение количества иммобилизованного фермента оксидазы на два порядка величины обеспечивает стократное увеличение кажущейся константы Михаэлиса. Это обусловлено работой фермента в условиях кинетического контроля, не ограниченной физиологическими концентрациями растворенного кислорода. Закономерное снижение чувствительности биосенсора при уменьшении количества фермента в чувствительном слое скомпенсировано применением режима импульсной генерации мощности для регистрации сигнала. Межимпульсное концентрирование пероксида водорода на поверхности катализатора и последующая регистрация транзиентного тока с миллисекундным разрешением обеспечивает увеличение аналитического сигнала на два порядка величины. В результате даже для биосенсоров со сниженным содержанием оксидазы удается достичь чувствительности, сопоставимой с таковой для биосенсоров с избыточным содержанием иммобилизованного фермента и традиционной регистрацией сигнала. Применение высокоактивных миметиков пероксидазы, «настройка» линейного диапазона биосенсора и его работа в импульсном режиме позволяют сочетать в одном устройстве высокую чувствительность, точность и операционную стабильность – характеристики, необходимые для длительного мониторинга метаболитов в биологических матрицах. Для разработанных биосенсорных устройств показана принципиальная возможность многочасового прямого детектирования миллимолярных концентраций метаболитов в образцах крови, диализате и поте без существенного изменения характеристик. Для дальнейшего увеличения чувствительности (био)сенсоров и реализации непрерывного мониторинга в кинетическом режиме осуществлено программирование микроконтроллера и разработано программное обеспечение для ультрабыстрой регистрации, обработки и передачи амперометрического сигнала. В ходе тестовых измерений с использованием редокс-медиатора показана принципиальная возможность субмиллисекундного считывания тока короткого замыкания и снижения диффузионных ограничений без изменения конвекции. С целью создания биосенсоров нового поколения для непрерывного мониторинга метаболитов показана возможность включения в прямой (безмедиаторный) биоэлектрокатализ пирролохинолинхинон и флавинадениндинуклеотид зависимых глюкозодегидрогеназ, адсорбированных на поверхности наноструктур поли(метиленового зеленого). Для иммобилизованных ферментов потенциалы полуволн окисления глюкозы совпадают с потенциалами редокс-переходов кофакторов ферментов (-60 и 130 мВ для ПХХ ГДГ и -150 мВ для ФАД ГДГ) и не определяются электроактивностью полимера. За счет развитой проводящей поверхности и высокого сродства полимера к активному центру фермента достигнуты рекордные эффективности прямого биоэлектрокатализа глюкозодегидрогеназами. Предельные токи окисления глюкозы в присутствии диффузионно-подвижного медиатора всего в 2 раза выше, чем в его отсутствие. Потенциал полуволны окисления глюкозы с помощью ФАД ГДГ при минимальном перенапряжении реакции обеспечивает предельную чувствительность биосенсора уже при потенциалах около -100 мВ. Таким образом, разработанные биосенсоры могут работать при рекордно низких потенциалах и конкурентны наиболее прогрессивным коммерческим системам контроля глюкозы в крови и межклеточной жидкости на основе комплексов осмия.

Публикации

1. Александрович А.С., Карякин А.А., Комкова М.А. Poly(Methylene Green) Nanoparticles as Anchors of PQQ Glucose Dehydrogenase for its Most Efficient Bioelectrocatalysis BOOK OF ABSTRACTS XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024” (год публикации - 2024)
-

2. Касимовская В.С., Елисеев А.А., Карякин А.А., Комкова М.А. Pulse power generation chronoamperometry for highly sensitive glucose monitoring BOOK OF ABSTRACTS XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024” (год публикации - 2024)

3. Шнейдерман А.А., Комкова М.А., Карякин А.А. Nanozymes “artificial peroxidase” for the suppression of reactive oxygen species BOOK OF ABSTRACTS XIII International Conference on Chemistry for Young Scientists “MENDELEEV 2024” (год публикации - 2024)