Тезисы
апрель 2017

Огляд етапів розвитку та розробки ферментних біосенсорів глюкози


Дудко В. О. , Третяк Д. В. , Каздобін К. О. , Ходикіна М. О.
Химия и современные технологии
Abstract / Full Text

Цукровий діабет є всесвітньою проблемою охорони здоров'я. Це порушення метаболізму спричинене дефіцитом інсуліну і гіперглікемією, проявляється в концентрації глюкози в крові вище або нижче нормального рівня 80-120 мг/дл (4,4-6,6 мМ). Діагностика та лікування цукрового діабету вимагає постійного контролю рівня глюкози в крові. Відповідно, мільйони діабетиків щодня визначають рівень глюкози в їх крові, що робить глюкозу найбільш часто визначуваною речовиною [1].

Перший ферментний глюкозний електрод, розроблений в 1962 році, складався з тонкого шару глюкозооксидази (GOx) нанесений на кисневий електрод за допомогою напівпроникної мембрани для діалізу. Вимірювання проводились на основі моніторингу спожитого кисню в процесі реакції, яка каталізується ферментами [2]:

Негативний потенціал був реалізований на платиновому катоді для вимірювання споживання кисню відновленим за реакцією:

У 1973 році Гілбал і Лабрано описали ферментний електрод для вимірювання рівня глюкози в крові на основі амперометричного (анодного) моніторингу продукту розкладу пероксиду водню:

Отриманий біосенсор показав високу точність і достовірність з використанням зразків крові по 100 мкл [3]. З тих пір було описано велику кількість амперометричних ферментних електродів, що відрізняються конструкцією, матеріалом, способом іммобілізації або складом мембрани.

Біосенсори глюкози першого покоління засновані на використанні природного кисневого ко-субстрату, генерації та визначенні концентрації перекису водню. Біокаталітична реакція включає відновлення флавінової групи (FAD) в ферменті, в результаті реакції з глюкозою утворюється відновлена форма (FADH2):

з подальшим повторним окисленням флавіну молекулярним киснем, щоб регенерувати окислену форму ферменту GOx(FAD):

Вимірювання вмісту утвореного пероксиду водню має перевагу в простоті, особливо коли важливою є мінімізація приладів. Такі вимірювання зазвичай проводять на платиновому електроді при анодному потенціалі близько + 0,6 В (відносно хлорсрібного електроду).

Особливо корисним при розробці біосенсорів глюкози другого покоління було використання штучних медіаторів. Перенос електронів між FAD-центром і поверхнею електрода відбувається за такою схемою:

де M(ox) та M(red) є окислена і відновлена форми медіатора. Відновлена форма окислюється на електроді, даючи струмовий сигнал (пропорційний концентрації глюкози), в той час відбувається регенерація окисленої форми медіатора.

Проте більшість пристроїв in vivo, не містять медіаторів їх через потенційну токсичність і можливість вимивання. Медіаторні системи також показують низьку стабільність при тривалій безперервній роботі.

Зрештою, бажано виключити наявність медіатора і розробити безреагентний біосенсор глюкози. В цьому випадку електрон переходить безпосередньо з глюкози до електрода через активний центр. Відсутність медіаторів є головною перевагою третього покоління біосенсорів, що є причиною дуже високої селективності. Одним із шляхів для створення третього покоління біосенсорів глюкози є використання органічних сольових електродів на основі комплексів, що здатні переносити заряд, таких як тетратіофульвален-тетраціанохінодиметан (TTF-TCNQ) [4].

Незважаючи на значний прогрес у розвитку біосенсорів глюкози, є ще багато проблем і перешкод, пов'язаних з досягненням високостабільного і надійного безперервного глікемічного моніторингу. Такий миттєвий контроль зміни концентрації глюкози в крові, як очікується, призведе до істотного поліпшення в контролі перебігу діабету. Очевидно, що успіх в цьому напрямі вимагає детального розуміння, що лежить в основі біохімії, фізіології, хімії поверхневих явищ, електрохімії і хімії матеріалів.

References
  1. Wang, Joseph. "Glucose biosensors: 40 years of advances and challenges." Electroanalysis 13.12 (2001): 983
  2. Clark, Leland C., and Champ Lyons. "Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery." Annals of the New York Academy of sciences 102.1 (1962): 29-45
  3. Guilbault, G. G., and G. J. Lubrano. "An enzyme electrode for the amperometric determination of glucose." Analytica chimica acta 64.3 (1973): 439-455
  4. Wang, Joseph. "Electrochemical glucose biosensors." Chemical reviews 108.2 (2008): 814-825