«Сейчас мочекаменную болезнь выявляют на достаточно поздней стадии. Одной из причин является несвоевременная диагностика. Поэтому мы создали датчик именно для мочевой кислоты. Помог метод, который мы ранее опробовали при создании сенсоров на вирус энцефалита, SARS-CoV-2, некоторые антибиотики и микроэлементы. Мы сами изготавливаем электроды из полимеров и чувствительных компонентов. Тест работает очень быстро, в течение нескольких минут», ― комментирует соавтор исследования, студентка второго курса бакалавриата Научно-образовательного центра инфохимии Ульяна Носкова.

Ульяна начала работать над этим исследованием еще школьницей и продолжила, уже учась в университете.

Преимущество новой тест-системы ― в простоте использования, точности полученных данных и ускорении процесса диагностики. Такой сенсор можно будет использовать не только в профессиональных лабораториях медицинских учреждений, но и в образовательных организациях и коммерческих компаниях для мониторинга здоровья учащихся и сотрудников, а также дома ― чтобы любой человек мог следить за своим состоянием.

Из чего состоит сенсор

Созданный для сенсора электрод состоит из углеродного волокна и окислительно-восстановительного медиатора из берлинской лазури. Чувствительный элемент собран из тонких слоев полимера ― полиэлектролита (такой полимер содержит молекулярные группы, способные в растворе становиться положительно или отрицательно заряженными). Между слоями полиэлектролита заключена уриказа ― именно она отвечает за то, чтобы обнаруживать мочевую кислоту в биоматериале. А слои полиэлектролита за счет своего заряда, как магнитом, позволяют обездвижить уриказу и ориентировать ее в пространстве так, чтобы она улавливала молекулы мочевой кислоты.

«Сложность была в том, чтобы подобрать полиэлектролиты. Мы изучали, как они влияют на стабильность и чувствительность биосенсора», ― объясняет аспирантка, младший научный сотрудник Центра инфохимии Анна Балдина.

Как всё работает

Принцип работы сенсора основан на способности мочевой кислоты реагировать с ферментом ― уриказой. Исследователь опускает сенсор в жидкость, где предположительно содержится мочевая кислота. Ее реакция с уриказой меняет электрические потенциалы в растворе, и сигнал об этом по углеродному волокну поступает на компьютер. Обученная на множестве данных нейросеть определяет количество прореагировавшей уриказы и, соответственно, содержание мочевой кислоты.

«Это исследование ― часть большой работы по созданию универсальной сенсорной платформы для диагностики различных биомаркеров. Мы продолжаем изучать, как и в каких комбинациях разные полиэлектролиты и активные вещества позволяют анализировать биожидкости, такие как пот, слюна, моча, кровь», – дополняет Анна Балдина.

Основную экспериментальную часть выполнила студентка магистратуры по инфохимии Любовь Першина. Она воспроизводила сборку углеволокна и берлинской лазури со слоями полиэлектролитов и помещенной внутрь них уриказой, а также анализировала показания сенсоров из разных полимеров. В исследовании помог метод кварцевых микровесов, или quartz crystal microbalance (QCM). Метод позволяет фиксировать ультрамалые изменения массы сенсора при изменении его состава из-за адсорбции биомолекул: антител, антигенов или ферментов (как в случае с уриказой). Микровесы могут работать не только в вакууме или на воздухе, но и в жидкости, и поэтому широко распространены в биохимии.

Статья: Baldina, A.A., Pershina, L.V., Noskova, U.V., Nikitina, A.A., Muravev, A.A., Skorb, E.V., Nikolaev, K.G. Uricase Crowding via Polyelectrolyte Layers Coacervation for Carbon Fiber-Based Electrochemical Detection of Uric Acid. Polymers, 2022, https://doi.org/10.3390/polym14235145

Текст: Тамара Беседина и Максим Санников