Biosenzori folosiți pentru determinarea glucozei din sânge

Definitia biosenzorilor

Biosenzorii sunt detectori ce se bazeaza pe molecule selective ce intra in componenta plantelor si animalelor. Biosenzorii moderni au evoluat din combinarea a doua discipline separate: tehnologia informationala, (microcircuite si fibre optice, procesare numerica a datelor, teoria generala a sistemelor cu comportare neliniara) si biologia moleculara. Prima furnizeaza electrozi miniaturali sau senzori optici, tehnica de preluare si procesare a informatiei iar a doua, pune la dispozitie biomolecule care recunosc o substanta tinta.

Istoria biosenzorilor

In 1950 Leland C. Clark Jr., a inventat un electrod destinat a fi folosit pentru masurarea oxigenului dizolvat in sangele bolnavilor operati. Acesta este format dintr-un electrod de platina si un electrod cu o membrana de plastic permeabila la gaze. Polaritatea electrodului a fost astfel stabilita incat intensitatea curentului prin circuit sa depinda de viteza de difuzie a oxigenului prin membrana, viteza ce este direct proportionala cu concentratia externa a oxigenului.

In 1962 Clark extinde folosirea acestui "electrod de masurare a oxigenului" la determinarea nivelului de glocoza in sange. El a imbracat senzorul pentru oxigen cu un strat subtire de gel ce contine un biocatalizator, enzima numita gluco-oxidaza, urmat de o membrana semipermeabila de dializa ce permite glucozei sa difuzeze in senzor, dar opreste enzima sa difuzeze afara. Cu cat intra mai multa glucoza, cu atat mai mult oxigen este consumat de enzima. Deci, o cantitate mica de oxigen existenta se traduce prin existenta unui nivel ridicat de glucoza.

In 1969, G.Guilbault a inventat un sistem de masura a ureei in fluidele corpului. Dispozitivul lui foloseste o enzima, ureaza, ce converteste urea in bioxid de carbon si amoniac. Electrodul sesizeaza schimbarile in concentratia ionilor de amoniu. Acest dispozitiv a constituit o imbunatatire pentru ca se bazeaza pe o detectie potentiometrica (un fel de senzor potentiometric), o tehnica ce de atunci a fost folosita foarte mult. In timp ce senzorii lui Clark masoara trecerea curentului prin electrod, senzorul potentiometric masoara tensiunea ceruta pentru mentinerea curentului la zero. Electrodul nu consuma nici un fel de reactanti de aceea este mai putin susceptibil la erori cauzate de schimbarile survenite in mediul extern. In plus, sistemul potentiometric are o curba logaritmica de raspuns astfel incat poate urmari o concentratie de peste 100 de ori.

In deceniile ce au urmat, peste 100 de enzime au fost folosite in biosenzori. Cercetatorii in domeniu au realizat ca nu numai enzimele singulare se pot folosi, ci si tesuturi ce reactioneaza la aminoacizi si la alte biomolecule importante. De ex, folosirea pulpei de banana pentru masurarea dopaminei, miezul de porumb pentru piruvat, frunza de castravete pentru cisteina, sfecla de zahar pentru tirozina, ficatul de iepure pentru guanina si pudra de muschi de iepure pentru monofosfat de adenozina.

Biosenzorii au inceput sa fie folositi cu succes si in alte domenii decat cele medicale. Astfel, Isao Kurube si Shuichi Suzuki au masurat cerintele biochimie ale oxigenului, ce reprezinta un indiciu al prezentei materiilor organice in apa uzata.

Biosenzorul, bazat pe drojdie, face o citire a rezultatelor in 30 minute fata de 5 zile in care se obtin rezultatele prin metode conventionale.

Biosenzorii sunt folositi si pentru a determina calitatea hranei si prospetimea ei ( pentru peste, carne, etc). Cu mare succes sunt folositi in industrie, in procesele industriale, pentru a determina compozitia chimica a materialelor de-a lungul proceselor. Aceste masuratori sunt importante in special in biotehnologie, unde in mod curent nu se pot monitoriza culturile de microorganisme procese de fermentatie ce produc proteine active si alte produse ca interferon sau insulina. [1]

Aplicatii ale biosenzorilor

Principala cerinta pentru un biosenzor este aceea de a fi valoros in acord cu cercetarile si aplicatiile comerciale: identificarea moleculelor tinta, disponibilitatea recunoasterii elementelor biologice corespunzatoare si potentialul pentru detectarea posibilitatii sistemelor, sa fie sensibile tehnologiei de laborator in cateva situatii. [2]

Aplicatiile acestor dispozitive sunt cu atat mai variate cu cat moleculele incorporate sunt mai variate. Asistenta medicala este cea care beneficiaza imediat de biosenzori, nu numai in testele clinice, dar si in fabricarea de medicamente si inlocuirea unor organe ca pancreasul artificial pentru diabetici. Biosenzorii se folosesc de asemenea pentru stabilirea calitatii si sigurantei hranei si detectarea factorilor de mediu poluanti. Alte cateva exemple se pot aminti: detectarea patogenilor, determinarea nivelelor de toxicitate inainte si dupa bioremeditare, detectarea si determinarea organofosfatilor, determinarea metabolitilor toxici cum ar fi micotoxine, etc.

Clasificarea biosenzorilor

Biosenzorii pot fi clasificati:

- dupa tipul de agent biologic folosit: biocatalitic (enzime, celule, tesuturi), anticorp (imunosenzor) sau antigen (fragment de ARN);

- dupa tipul traductorului folosit: amperometrice, potentiometrice, conductometrice, calorimetrice, optice, piezo-electrice, manometrice.;

- printr-o combinatie a primelor doua criterii.

- dupa analitii sau reactiile pe care le monitorizeaza:

- monitorizare directa a concentratiei analitilor sau a reactiilor care produc sau consuma analitii;

- monitorizare indirecta care presupune monitorizarea unui inhibitor sau a unui activator al bioreceptorului.

Un alt tip de clasificare imparte biosenzorii in urmatoarele categorii:

- Biosenzori de afinitate. Analitul nu se modifica chimic in timpul masuratorii. El doar se leaga de receptor. La sfarsit el poate fi indepartat chimic sau prin spalare.

- Biosenzori de metabolism. Aici substratul biologic se consuma printr-o reactie chimica cu analitul, formandu-se un nou produs. Starea initiala se poate reface dupa completa consumare a analitului. (Exemplu: se doreaste detectarea microorganismului Helycobacter Pylor in substanta purtatoare: suc gastric. In metabolismul sau, acest microb produce NH3 (amoniac). Asadar, senzorul nu va detecta microbul in sine, ci concentratia de amoniac.)

- Imunosenzori. Detectarea substantelor de tip antigen (Ag) se face cu ajutorul anticorpilor (Ac), pe principiul "lacat-cheie". Anticorpii sunt proteine cu molecule in forma de Y (numite imunoglobuline). In varfurile Y-ului sunt doar doua locuri, unde se poate lega un singur tip de antigen. Aceasti anticorpi sunt produsi de organism ca raspuns la o anumita substanta straina (antigen), pe care nu o poate elimina prin fagocitoza si careia, in ultima instanta, ii "incurca planurile", legandu-se de ea: Ac+Ag AcAg.

- Senzori biomimetici. Cu ajutorul acestor senzori se detecteaza semnale fizice (sunet, stres mecanic, lumina) pe baza interactiunii lor cu substratul biologic activ (receptorul).

Atunci cand se face referire la un anumit biosenzor particular (si se doreste identificarea lui exacta) trebuie precizata clasificarea lui dupa toate criteriile. De exemplu: biosenzor de lactoza IMFET (adica acest biosenzor este un imunosenzor care are drept traductor un tranzistor cu efect de camp). [3] [4]