Biosensory do jednoczesnego wykrywania dwóch frakcji cholesterolu

W diagnostyce miażdżycy nie wystarczy tylko określenie stężenia "złego" cholesterolu. Przydatne jest również sprawdzenie jego "utlenionej wersji", powiązanej ze stresem oksydacyjnym. Innowacyjny biosensor, który pozwala na jednoczesny pomiar obu tych istotnych wskaźników opracowali naukowcy z Instytutu Rozrodu Zwierząt i Badań Żywności PAN w Olsztynie.

- Miażdżycowa choroba naczyń krwionośnych to szeroka grupa zaburzeń, dlatego wykrycie jednego biomarkera nie jest wystarczające do prawidłowej diagnozy i monitorowania tej choroby - podkreśla dr hab. Iwona Grabowska, liderka Zespołu Biosensorów w Instytucie Rozrodu Zwierząt i Badań Żywności PAN w Olsztynie. - Wśród możliwych rozwiązań tego problemu jest multipleksowe wykrywanie kilku biomarkerów w pojedynczej analizie, co nam udało się uzyskać w postaci opracowanego biosensora.

Zadaniem tych biosensorów (czyli urządzeń analitycznych, w skład których wchodzi m.in. biologicznie aktywny materiał) jest jednoczesny pomiar stężenia lipoproteiny o niskiej gęstości (LDL – tzw. "zły" cholesterol) oraz jej "utlenionej wersji" (MDA-LDL). Frakcja cholesterolu LDL sama w sobie nie jest „zła”; jej zadaniem jest transport cholesterolu z wątroby do mięśni naszego organizmu. Jeśli jednak występuje w nadmiarze, powoduje odkładanie się cząsteczek cholesterolu w tętnicach, co może prowadzić do miażdżycy. Z kolei MDA-LDL to utlenione cząstki cholesterolu LDL, które w takiej postaci stanowią dodatkowe niebezpieczeństwo dla ścianek naczyń krwionośnych. Źródłem tego procesu jest stres oksydacyjny, czyli zaburzenia równowagi między wolnymi rodnikami tlenowymi a możliwościami ich neutralizacji przez organizm.

Fundamentem nowego rozwiązania są kulki magnetyczne (a konkretnie: magnetyczne dynabeads) pokryte grupami aminowymi, stanowiące stałe podłoże dla przeciwciał. Grupy aminowe obecne na kulkach służą do tworzenia wiązań ze specyficznymi przeciwciałami i cząsteczkami redoks aktywnymi. Interakcja między specyficznymi przeciwciałami i biomarkerami skutkuje zmianami w reakcjach elektrochemicznych cząsteczek redoks, które w efekcie dają wynik dotyczący stężenia obu wskazanych biomarkerów.

- Nasze biosensory wykazują wysoką czułość, jeśli chodzi o wykrywalność, wystarczającą selektywność oraz stosunkowo dobrą stabilność - wskazuje Iwona Grabowska. - Do ewentualnego wdrożenia jeszcze długa droga, ale rozwiązanie ma potencjał do wykorzystania w prognozowaniu i diagnozowaniu miażdżycowej choroby sercowo-naczyniowej (ASCVD), która, według szacunków Światowej Federacji Serca, powoduje około jedną trzecią wszystkich zgonów na świecie.

Badanie laboratoryjne za pomocą opisywanych biosensorów wykonuje się z surowicy krwi.

[Więcej w artykule źródłowym, opublikowanym w czasopiśmie "International Journal of Molecular Sciences"]

Biosensory mają przedrostek "bio", co wskazuje na biologicznie aktywny materiał, czyli określoną bioaktywną molekułę np. przeciwciało, kwas nukleinowy, receptor, wirus lub mikroorganizm. - Ten bioelement musi być tak dobrany, aby łączył się z danym analitem, czyli wykrywanym składnikiem. Ich interakcja skutkuje sygnałem, który następnie jest przetwarzany przez przetwornik i daje nam wynik - tłumaczy naukowczyni.

Przetworniki mogą być różne. Do najpopularniejszych należą kolometryczne, stosowane w wielu testach powszechnie dostępnych (chodzi o te z paskiem, który się zabarwia).

Naukowcy z IRZiBŻ PAN wykorzystują jednak przetworniki elektrochemiczne, których działanie jest oparte o reakcje utleniania-redukcji (redoks). - Ten element utleniająco-redukujący, zwany znacznikiem redoks aktywnym, jest skorelowany z działaniem receptora. Gdy jego proces utlenienia-redukcji się zmienia i zachodzi proces rozpoznawania receptor-analit, powstaje sygnał. Metoda elektrochemiczna charakteryzuje się wysoką czułością, dzięki której możemy wykrywać nawet pojedyncze molekuły - wskazuje badaczka.

Innowacyjnością biosensorów badaczy z Olsztyna jest także wykorzystywanie nowoczesnych receptorów - aptamerów. Są to sekwencje DNA lub RNA, które w laboratoriach zostały tak skonstruowane, aby wiązać tylko jedną określona cząsteczkę np. jakiś konkretny antybiotyk. - Aptamery w nauce są stosowane od niedawna, stąd jeszcze tak wiele jest do poznania. Są jednak bardzo selektywne i już wiadomo, że potencjał do szerokiego zastosowania mają duży - podkreśla Iwona Grabowska.

- Ponadto, nasze biosensory są konkurencyjne cenowo w porównaniu z tymi wykorzystującymi przeciwciała, ponieważ aptamery można syntetyzować w laboratorium, a nie w organizmie żywym, gdzie produkowane są te przeciwciała, co wiąże się też z kwestiami etycznymi - dodaje badaczka.  

Samo urządzenie wygląda jak mały chip. Naukowcom zależy, aby obsługa ich biosensorów była prosta, tak by każdy laik potrafił z nich skorzystać i sprawdzić, czy np. w mleku występuje antybiotyk.

Oprócz zastosowań biomedycznych, naukowcy z Olsztyna zajmują się również biosensorami do badania jakości żywności m.in. do wykrywania antybiotyków w mleku krowim i do wykrywania mykotoksyn, czyli toksyn wytwarzanych przez niektóre gatunki grzybów.