Интегрально-модульный мультисенсорный диагностический комплекс для быстрого автономного контроля состояния организма

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 25-74-31020

НазваниеИнтегрально-модульный мультисенсорный диагностический комплекс для быстрого автономного контроля состояния организма

Руководитель Шлеев Сергей Валерьевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №112 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований под руководством зарубежных ведущих ученых» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова наноматериал; нанокомпозит; биорезорбируемый материал; физический параметр; портативный, носимый сенсор; (био)химический маркер; имплантируемый биосенсор; биосуперконденсатор; настольное приложение; мобильное приложение; база данных; интегрированная система; машинное обучение; искусственный интеллект

Код ГРНТИ34.57.25

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В связи с широким использованием современных гаджетов зарубежного производства в каждодневной жизни, включая носимые сенсоры, огромная база в лучшем случае пседводеперсонализированных данных об основных физиологических параметрах широкого круга граждан РФ (масса тела, частота пульса, кровяное давление) накапливается на зарубежных серверах. Более того, последние достижения биосенсорных технологий, позволяющие осуществлять непрерывный контроль не только физиологичесих, но и биохимических параметров, например, концентрации глюкозы в крови человека, приводят к аккумуляции биомедицинских данных нашей страны за границей. Данный проект при масштабировании его результатов обеспечит изменение этой негативной и опасной тенденции. Современные портативные системы биомедицинского мониторинга, включающие электронные устройства, которые можно носить в кармане или на теле, как аксессуар или часть одежды, привлекли значительное внимание благодаря простоте сбора информации о важнейших показателях тела человека. Портативные устройста, а также имплантаты, могут играть значительную роль в непрерывном мониторинге физиологического состояния человека или ранней диагностике заболеваний путем измерения физических параметров и биохимических маркеров в реальном времени, создавая новые возможности для удаленного и непрерывного биомедицинского мониторинга вне клинической среды. Несмотря на все достижения и непрерывный технологический прогресс, использование таких средств мониторинга и диагностики по-прежнему лимитируется ограниченными сроками операционной службы, недостаточной точностью и достоверностью данных, слабой проработкой удобства для пользователей, а также нерешенными проблемами безопасности и конфиденциальности. Разрозненные предложения устройств разной конструкции для контроля ограниченного числа параметров препятствуют расширению рынка и формированию нормативно-методической базы для средств медицинской диагностики нового поколения. К тому же до настоящего времени разработка портативных и имплантируемых устройств осуществлялась раздельно, тогда как конвергенция этих направлений существенно повышает информативность и доказательность анализа биомедицинского состояния человека. Настоящий проект, направленный на создание интегрированной системы экзогенных и имплантируемых биоэлектронных устройств, позволит создать передовую уникальную систему для быстрого и точного контроля состояния организма, а также онлайн рекомендаций по улучшению психофизиологических параметров с использованием технологий искусственного интеллекта для диагностики, профилактики и повышения эффективности жизнедеятельности человека. Работы по проекту основаны на интеграции решения научных и технических задач. Основная фундаментальная задача проекта – сравнительная оценка различных наноматериалов и нанокомпозитов как компонентов (био)электронных устройств, обеспечивающих высокочувствительное достоверное выявление целевых аналитов. Прикладные разработки проекта направлены на создание модульного диагностического комплекса на основе быстрых, селективных и производительных биоаналитических систем, объединяющего; - портативные сенсоры и биосенсоры, включая носимые устройства, - имплантируемые биосенсоры, - биорезорбируемые источники тока и - персональную сенсорную сеть с расширенными функциональными характеристиками, включающими обработку данных при помощи алгоритмов искусственного интеллекта. Для оценки психофизического состояния индивидуума и выработки персонифицированных рекомендаций комплекс будет осуществлять обработку результатов сенсорных измерений и их сопоставление с формируемой базой данных с использованием алгоритмов машинного обучения. Будет обеспечена возможность интеграции с внешними источниками, включая электронные карты медицинских учреждений, а также обратная связь с пользователями системы.

Ожидаемые результаты
Создание предлагаемого интегрально-модульного диагностического комплекса будет включать разработку и характеристику следующих компонентов: (i) портативные биосенсоры и иммуносенсоры на основе наноструктурированных электродов для высокочувствительного выявления и измерения содержания биомаркеров, (ii) имплантируемые биосенсоры на основе микроэлектродов, (iii) биорезорбируемые источники тока на основе нанокомпозитных материалов, (iv) инструментальную (сенсоры и источники тока) и программную (настольное и мобильное приложения, база данных) реализацию персональной сети с обработкой данных с использованием алгоритмов машинного обучения. (v) программные средства интеграции индивидуальных комплексов с облачными ресурсами и базами данных для поддержания и анализа индивидуальных досье о состоянии здоровья, тревожных оповещений для одиноких и пожилых людей, подготовке обоснованных рекомендаций по индивидуальным профилактическим и терапевтическим мероприятиям, коммуникаций пациент - врач.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Выполнен комплекс исследований, формирующих основу разрабатываемого интегрально-модульного мультисенсорного диагностического комплекса (ИМДК), который объединяет сенсорные элементы, имплантируемые компоненты, беспроводную электронику и программную обработку данных. Работы охватили полный цикл — от подбора распознающих и каталитических компонентов до проверки работоспособности сенсорных и аппаратно-программных решений, а также анализа факторов, определяющих чувствительность и стабильность систем. В части молекулярного распознавания проведён скрининг кандидатных рецепторных молекул к целевым низкомолекулярным аналитам. Параметры связывания аптамеров охарактеризованы методом изотермической титрационной калориметрии, а моноклональных антител — методом иммуноферментного анализа. Для иммунохроматографических систем – компонентов ИМДК – получены нанодисперсные метки: сферические наночастицы золота, анизотропные «наноцветы» золота и нанозимы Au@Pt структуры «ядро-оболочка». Сопоставлены три подхода к получению иммуноконъюгатов наночастиц с последующей стабилизацией. На примере кортизола осуществлена разработка тест-системы и ее апробация для контроля проб слюны. Показана применимость к количественной регистрации результатов тестирования видеоцифрового подхода с адаптацией отечественного анализатора «ДиаБокс Макси», Осуществлена разработка компонентов электрохимических систем контроля глюкозы и лактата, основанных на регистрации пероксида водорода как продукта ферментативных реакций. Синтезированы и сравнительно исследованы пероксидазоподобные нанозимы разных классов. Для нанозимов установлены фазовый состав и морфология, охарактеризована электроактивность при иммобилизации на поверхности электрода. Показано, что электрокаталитическое восстановление пероксида на модифицированных нанозимами электродах реализуется по механизму редокс-катализа, а максимальная чувствительность достигается для покрытий на основе берлинской лазури, что делает их наиболее перспективными для сенсоров. Для повышения ресурса сенсоров разработан подход к перекалибровке в процессе амперометрических измерений. Предложена модель аппроксимации зависимости отклика от поверхностного содержания берлинской лазури. Разработана методика оценки деградации трансдьюсера через периодическую регистрацию квадратно-волновых вольтамперограмм; показано, что форма сигнала слабо зависит от концентрации пероксида, а ток пика пропорционален количеству активного материала. На этой основе реализован расчёт остаточного отклика и перекалибровка в реальном времени, увеличивающая время работы примерно в 2,5 раза. Исследована стабилизация берлинской лазури оксогидроксидом кобальта. Показано, что стабилизирующий слой существенно - до 90 минут - увеличивает операционную стабильность трансдьюсера. Изучено окисление пероксида на полностью окисленной форме материала (берлинский зелёный/жёлтый), что расширяет режимы электроаналитической регистрации. Разработаны компоненты имплантируемых сенсорных систем. Получены планарные, макроструктурированные и наноструктурированные электроды из золота и платины; наноструктурирование выполнено методами наноимпринт-литографии, обеспечивающей формирование регулярного нанорельефа. Для потенциометрических измерений создан твердотельный электрод сравнения на полиамидной подложке, обеспечивающий долговременную стабильность потенциала за счёт медленной диссоциации KCl в гидрофобной матрице ПДМС и пригодный для работы в широком диапазоне концентраций хлорид-ионов. Продемонстрирована применимость разработанных электродов для потенциометрического мониторинга, включая эксперименты in vivo: электроды были имплантированы под кожу крыс и использованы для мониторинга формирования микробных биоплёнок. Созданы катодно-анодные композиты на основе электропроводящих полимеров и ферментных систем. Разработаны катоды PEDOT:PSS/PEGDE на углеродных волокнах; показано, что сшивка PEGDE обеспечивает водостойкость плёнок при сохранении высокой проводимости и каталитической активности. Электрохимические испытания подтвердили эффективное восстановление кислорода и пероксида водорода. Образцы, высушенные при комнатной температуре, демонстрировали повышенные катодные токи, что важно для физиологических сред с низким содержанием кислорода. Для биоанодов сформированы многослойные структуры на углеродном волокне с аминированным графеном, медиаторами TTF и TCNQ и иммобилизованной глюкозооксидазой. По данным циклической вольтамперометрии показан рост токов окисления глюкозы с увеличением её концентрации, что подтверждает функциональность анодного узла. Разработаны электронные компоненты ИМДК и выполнена их интеграция с комбинированными планарными электродами. Созданы две беспроводные системы для измерения потенциала разомкнутой цепи: макромодуль на ESP32 с 16-битным АЦП ADS1115 и миниатюрный модуль на ATtiny85 с пониженной тактовой частотой и режимом глубокого сна для минимизации энергопотребления. Для регистрации разности потенциалов применён операционный усилитель с ультранизким входным током смещения и высоким дифференциальным входным сопротивлением. Точность измерений повышена за счёт усреднения при передискретизации, а передача данных реализована по Bluetooth короткими импульсами. Обе системы продемонстрировали стабильную работу совместно с разработанными электродами; полученные сигналы практически совпадали с данными высокоомного вольтметра. Проведены испытания данных систем в условиях ex vivo и in vivo. Создана программная инфраструктура обработки данных, включающая серверную часть с REST API (хранение измерений, аутентификация и обмен с клиентами), десктопное приложение для подключения медицинских устройств через COM-порт и мобильное приложение для просмотра истории измерений, построения графиков и синхронизации данных. Реализованы алгоритмы парсинга структурированных HL7-сообщений анализатора Piccolo Xpress (извлечение по разделителям, фильтрация служебных символов, проверка идентификатора устройства, маппинг параметров), а также нормализация и валидация данных. Применены механизмы оптимизации передачи и хранения (JSON-сериализация, локальное кэширование SQLite, инкрементальная синхронизация), реализован расчёт производных показателей. Обеспечена интеграция с панелями Piccolo Xpress и подготовлена инфраструктура для подключения дополнительных устройств (ЭКГ, тонометры) на основе универсальной модели данных.

Публикации

1. Комова Н.С., Серебренникова К.В., Жердев А.В., Дзантиев Б.Б. Immunosensing Platforms for Detection of Metabolic Biomarkers in Oral Fluids Biosensors, 2025, 15(12), 794 (год публикации - 2025)
doi.org/10.3390/bios15120794

2. Геневский В., Парунова Ю., Покаместова А., Шлеев С. БЕСПРОВОДНОЙ ПОТЕНЦИОМЕТРИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОБНОЙ БИОПЛЕНКИ: СРАВНЕНИЕ EX VIVO и IN VIVO ИССЛЕДОВАНИЙ Прикладная биохимия и микробиология (год публикации - 2026)

3. Комова Н.С., Серебренникова К.В., Еремин С.А., Жердев А.В., Дзантиев Б.Б. РАЗРАБОТКА И СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ИМУНОХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ТЕСТ-СИСТЕМ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОРТИЗОЛА В СЛЮНЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗЛИЧНЫХ КОНЪЮГАТОВ НАНОДИСПЕРСНОГО ЗОЛОТА С АНТИТЕЛАМИ Прикладная биохимия и микробиология (год публикации - 2026)

4. Карякин А.А. “Koutecky-Levich” equation and plots invented in reality by Frumkin Journal of Electroanalytical Chemistry, Volume 1002, 119731 (год публикации - 2026)
https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2025.119731.