ИСТИНА

Научной проблемой, на решение которой направлен проект, является получение количественной информации о содержании ключевых метаболитов, определяющих состояние пациента, в режиме реального времени, что оказывается возможным только путем химического анализа биологических жидкостей. В случае неинвазивно собираемых биологических жидкостей уместно говорить о неинвазивной диагностике, не предусматривающей не только отбора крови, но и повреждения кожных покровов. Химический анализ биологических жидкостей должен обладать высокими чувствительностью и селективностью, характеризоваться низкими пределами обнаружения. Кроме того, получение информации в режиме реального времени требует возможности непрерывного мониторинга. Для этих целей как нельзя лучше подходят электрохимические (био)сенсоры, которые, очевидно, необходимо подстраивать под конкретную задачу.

Scientific problem to be solved during the Project concerns the real time gathering of the quantitative information on concentration of key metabolites, which determine the patient condition. This is possible only through chemical analysis of biological liquids with high sensitivity and selectivity together with low detection limits. The analytical method used should allow continuous monitoring to provide the real time information gathering. The best candidates for this aim are electrochemical biosensors, which have to be not only elaborated, but also tuned in accordance with the precise analytical task. In XIX century medicine had been considered as an application area for achievements of chemistry in order to cure people. Modern clinical diagnostics based on concentration of key metabolites is impossible without chemical analysis. Moreover, personified medicine presumes the real time gathering of the maximum information possible about patient condition. The Project is based as on the results of RSF № 19-13-00131, devoted to nanozymes “artificial peroxidase” on the basis of catalytically synthesized Prussian Blue nanoparticles, as on the applicant’s achievements in fields of electrochemical biosensors, including those on the basis of nano-scaled structures of electro- and biocatalysts. The key low-molecular blood metabolites are glucose and lactate. Their importance is determined not only by diabetes and hypoxia: their content also informs concerning viability of organs and tissues in various areas of medicine from transplantology to neurosurgery. The growing interest attracts oxidative stress, and the most powerful oxidant among chemically stable oxidants presenting in living systems, is hydrogen peroxide. A group of signaling molecules, which regulates organism functions at molecular-genetic, subcellular, cellular, and tissue levels is formed by bioactive peptides. The Project is characterized by the following scientific objectives: - nanozymes “artificial peroxidase” in (bio)chemical analysis; - the mechanism of catalytic and non-catalytic electrochemical oxidation of proteinogenic amino acids in order to detect bioactive peptides; - monitoring of the traditionally collected biological liquids by advanced (bio)sensors; - exhaled aerosol, non-invasively collected without cooling, for monitoring of pulmonological pathologies. The aim of the project is to improve the human life level through achievements of personified medical diagnostics in clinics and at home. The Project will result in sensor and biosensor platforms for non-invasive diagnostics and personified medicine with analytical performance characteristics, which are advantageous over existing analogues as in our country, as abroad. In addition, the elaborated platforms are aimed to decrease the cost of analysis substituting natural catalysts by artificial: nanozymes. The use of scalable technologies will provide mass production of sensors and biosensors. Independently, the scientific background for validity of non-invasive diagnostics will be created. A possibility to predict blood glucose content through detection its concentration in non-invasively collected biological liquids would allow to realize non-invasive diabetes monitoring, which definitely improves the life level for millions of people.

Проект направлен на повышение качества жизни людей за счет усовершенствования диагностических услуг в клиниках «у постели больного» и в домашних условиях. В результате Проекта будут созданы сенсорные и биосенсорные платформы для неинвазивной диагностики и персонифицированной медицины, превосходящие по своим аналитическими характеристикам современные отечественные и зарубежные аналоги, в том числе существенно удешевляющие стоимость анализа за счет перехода от природных катализаторов к искусственным - нанозимам. Использование масштабируемых технологий обеспечит возможность последующего массового производства сенсоров и биосенсоров. В ходе Проекта будут исследованы стационарная и предстационарная кинетика реакций, катализируемых нанозимами «искусственная пероксидаза» на основе различных материалов. Стационарная кинетика позволит выявить кинетический механизм и определить константы лимитирующих стадий, как это было сделано заявителем для каталитически синтезированной берлинской лазури. Будут найдены зависимости кинетических констант от координационного окружения, собственной редокс-активности материала и др. Предстационарная кинетика позволит определить бимолекулярную константу скорости присоединения восстанавливающего субстрата к нанозиму. Знание кинетических закономерностей действия нанозимов позволит прогнозировать аналитические характеристики создаваемых на их основе (био)аналитических систем. В результате Проекта будут созданы сенсорные и биосенсорные платформы для неинвазивной диагностики и персонифицированной медицины. Использование масштабируемых технологий обеспечит возможность последующего массового производства сенсоров и биосенсоров. В завершении проекта будет проведено суммирование данных по электролитному и метаболитному составу экскреторных жидкостей, собираемых различными способами, для формулировки магистральных направлений неинвазивной диагностики.

Берлинская лазурь – это наилучший на сегодняшний день электрокатализатор восстановления пероксида водорода (Н2О2). Ферменты-оксидазы окисляют субстрат кислородом воздуха, восстанавливая его до пероксида водорода, именно детекция Н2О2 является наиболее прогрессивной, обеспечивая самую высокую чувствительность и самые низкие пределы обнаружения. В то же время, электрокатализатор на основе берлинской лазури полностью индифферентен к ним компонентам пота в отличие от платины, что позволяет длительно работать даже в неразбавленном поте. Был разработан лактатный биосенсор с линейным диапазоном, перекрывающим области возможных содержаний лактата как в поте, так и в крови. Сенсор на пероксид водорода с наилучшими аналитическими характеристиками позволил заявителю предложить новый метод оценки антиоксидантной активности по кинетике поглощения пероксида водорода. В области нанозимов заделом исполнителя является каталитический синтез наночастиц берлинской лазури, имитирующих природную пероксидазу по активности и по селективности. Успешное создание ДНК-сенсора обусловливает возможность замены фермента пероксидазы на нанозимы в иммуносенсорах. Заявителем заложены основы неинвазивной диагностики по анализу состава экскреторных жидкостей: для нахождения концентрации метаболита в крови по его содержанию в экскреторной жидкости достаточно корреляции в степенях изменения концентрации. Были спроектированы, изготовлены и испытаны сборники биоаэрозоля на основе смешения турбулентных потоков. Проведена стандартизация отбора на основании измерения ионной силы выдыхаемого аэрозоля воздуха. Предварительные исследования показывают возможность детектирования пероксидов в выдыхаемом аэрозоле. Заявителем было открыто электрохимическое окисление почти всех протеиногенных аминокислот, тогда как ранее считалось, что только тирозин, триптофан, цистеин, гистидин, метионин и цистин способны к окислению. Подход был успешно применен для определения пептидов семейства амилоида-β.