ЗАСТОСУВАННЯ КІБЕРФІЗИЧНИХ БІОСЕНСОРНИХ ТА ІМУНОСЕНСОРНИХ СИСТЕМ

V. P. Martsenyuk; A. S. Sverstiuk; T. V. Bihunyak; A. V. Pavlyshyn; O. M. Mochulska

doi:10.11603/mie.1996-1960.2019.1.10108

Автор(и)

V. P. Martsenyuk Університет Бєльсько-Бяли, Республіка Польща https://orcid.org/0000-0001-5622-1038
A. S. Sverstiuk ДВНЗ «Тернопільський державний медичний університет імені І. Я. Горбачевського МОЗ України»
T. V. Bihunyak ДВНЗ «Тернопільський державний медичний університет імені І. Я. Горбачевського МОЗ України»
A. V. Pavlyshyn ДВНЗ «Тернопільський державний медичний університет імені І. Я. Горбачевського МОЗ України»
O. M. Mochulska ДВНЗ «Тернопільський державний медичний університет імені І. Я. Горбачевського МОЗ України»

DOI:

https://doi.org/10.11603/mie.1996-1960.2019.1.10108

Ключові слова:

кіберфізична система, біосенсорна система, імуносенсорна система, портативна система

Анотація

У роботі проведено огляд кіберфізичних біосенсорних та імуносенсорних систем, що є новим поколінням інформаційно-вимірювальних систем із використанням у конструкції біологічних матеріалів, які забезпечують їх високу селективність. Проведена класифікація досліджуваних систем відносно чутливих елементів і можливості використанням різних режимів фізико-хімічного перетворення вимірювальної величини. Розглянуто такі види кіберфізичних біосенсорних та імуносенсорних систем: електрохімічні; оптичні; на основі оксиду кремнію, кварцу та скла; на основі наноматеріалів; генетично кодовані або синтетичні флуоресцентні; мікробні, розроблені за допомогою синтетичної біології та генетичної інженерії. Досліджувані системи порівняно за технологією, специфічністю, порогом виявлення, тривалістю аналізу, вартістю та портативністю.

Розглянуто методи виготовлення електрохімічних кіберфізичних біосенсорних та імуносенсорних систем. Окремо представлено методи виготовлення, шляхом модифікування поверхні металевих і вуглецевих електродів із використанням біоматеріалів, таких як ферменти, антитіла або ДНК. Представлено оптичні досліджувані системи, що реалізуть свою дію за допомогою іммобілайзерів і можуть виготовлятися із золота, матеріалів на основі вуглецю, кварцу або скла. Описано найбільш важливі напрями використання кіберфізичних біосенсорних та імуносенсорних систем у лікувальних і діагностичних закладах, зокрема для моніторингу рівня глюкози в крові пацієнтів із цукровим діабетом, а також для розроблення нових лікарських засобів, біозондування та біомедицини. Зроблено висновок, що досліджувані системи з наноматеріалів на основі оксиду кремнію володіють найбільш високим потенціалом щодо застосування для біовізуалізаціі, біосенсорного аналізу та лікування онкологічнх захворювань.

Розглянуто мічені кіберфізичні біосенсорні та імуносенсорні системи з використанням генетичного кодування або синтетичної флуоресценції, що дало змогу вивчати біологічні процеси, в тому числі, різні молекулярні перетворення всередині клітин. Наведено переваги візуалізації in vivo за допомогою досліджуваних систем малих молекул з метою кращого розуміння клітинної активності та механізму дії ДНК, РНК та мікро-РНК. Описано клітинні біосенсорні та імуносенсорні системи, що можна застосовувати для моніторингу біохімічної потреби в кисні, токсичності в навколишньому середовищі, для виявлення пестицидів і важких металів, спостереженні за екологічною ефективністю при виробництві електроенергії. Зроблено висновок, що для створення високочутливих мініатюрних пристроїв потрібне розроблення різних мікро- і нано-кіберфізичних біосенсорних та імуносенсорних платформ із залученням інтегрованих технологій, які використовують електрохімічний або оптичний біоелектронні принципи з комбінацією біомолекул або біологічних матеріалів, полімерів і наноматеріалів.

Посилання

Mehrotra P. (2016). Biosensors and their applications - a review. Journal of Oral Biology and Craniofacial Research, vol. 6, no. 2, pp. 153-159.

Jiang X., Spencer M. G. (2010). Electrochemical impedance biosensor with electrode pixels for precise counting of CD4+ cells: A microchip for quantitative diagnosis of HIV infec- tion status of AIDS patients. Biosensors and Bioelectronics, vol. 25, no. 7, p. 1622-1628.

Luppa P. B., Sokoll L. J., Chan D. W. (2001). Immunosensors principles and applications to clinical chemistry. Clinica Chimica Acta, vol. 314, no. 1, p. 1-26.

Lee E. A. (2008). Cyber physical systems: Design challenges. Center for Hybrid and Embedded Software Systems, EECS University of California, Berkeley, CA 94720, USA, Tech. Rep. UCB/EECS-2008-8. Available at: https://www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/ TechRpts/2008/ EECS-2008-8.pdf.

Lee J., Bagheri B., Kao H.-A. (2015). A cyber-physical systems architecture for industry 4.0-based manufacturing system. Manufacturing Letters, vol. 3, p. 18-23, ISSN: 2213-8463. Available at: http://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/ S221384631400025X.

Berger C., Hees A., Braunreuther S., and Reinhart G. (2016). Characterization of cyber-physical sensor system. Procedia CIRP, vol. 41, p. 638-643. Available at: https://doi.org/10.1016Zj.procir. 2015.12.019.

Martsenyuk V.P., Klos-Witkowska A., Sverstiuk A.S. (2018). Study of classification of immunosensors from viewpoint of medical tasks. Medical informatics and engineering. 1 (41). P. 13-19.

Martsenyuk V.P., Klos-Witkowska A., Sverstiuk A.S., Bihunyak T.V. (2018). On principles, methods and areas of medical and biological application of optical immunosensors. Medical informatics and engineering. 2 (42), p. 28-36.

Stability, bifurcation and transition to chaos in a model of immunosensor based on lattice differential equations with delay (2018). / V. Martsenyuk, A. Klos-Witkowska, A. Sverstiuk. Electronic Journal of Qualitative Theory of Differential Equations. no. 27, pp. 1-31. doi: 10.14232/ ejqtde. 2018.1.27. [Online]. Available: https://doi. org/10.14232/ ejqtde.2018.1.27.

On modelling predator-prey cellular automaton with help of lattice differential equations with time dilay (2018). / V. Martsenyuk, A. Klos-Witkowska, A. Sverstiuk, O. Bagrii-Zayats, M. Bernas. Advances in biotechnology. 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2018. Nano, bio, green and space technologies for a sustainable, 2th-8th of July, Albena, Bulgaria. V. 18, ISSUE 6.2, p.407-414.

Byely'x I.A., Kleshhev M.F. (2011). Navchal'nyj posibnyk „Biologichni ta ximichni sensorni systemy"". Xarkiv NTU «XPI», 143.

Turner, A. P. (2013). Biosensors: sense and sensibility. Chem. Soc. Rev. 42, 3184-3196. doi:10.1039/ c3cs35528d.

Citartan, M., Gopinath, S. C., Tominaga, J., and Tang, T. H. (2013). Label-free methods of reporting biomolecular interactions by optical biosensors. Analyst 138, 35763592. doi:10.1039/c3an36828a.

Sang, S., Wang, Y., Feng, Q., Wei, Y., Ji, J., and Zhang, W. (2015). Progress of new label-free techniques for biosensors: a review. Crit. Rev. Biotechnol. 15, 1-17. doi:10.3109/07388551.2014.991270.

Vigneshvar S., Sudhakumari C. C., Senthilkumaran Balasubramanian, Prakash Hridayesh Recent Advances in Biosensor Technology for Potential Applications - An Overview Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, Volume 4. 2016 P. 11. ISSN=2296-4185 DOI=10.3389/fbioe.2016.00011.

Clark, L. C. Jr., and Lyons, C. (1962). Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery. Ann. N. Y. Acad. Sci. 102, 29-45. doi:10.111 1/j.1749-6632.1962.tb13623.x

Harris, J. M., Reyes, C., and Lopez, G. P. (2013). Common causes of glucose oxidase instability in in vivo biosensing: a brief review. J. Diabetes Sci. Technol. 7, 1030-1038.

Wang, B., Takahashi, S., Du, X., and Anzai, J. (2014). Electrochemical biosensors based on ferroceneboronic

acid and its derivatives: a review. Biosensors (Basel) 4, 243-256. doi:10.3390/bios4030243.

Gruhl, F. J., Rapp, B. E., and Lange, K. (2013). Biosensors for diagnostic applications. Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 133, 115-148. doi:10.1007/10_2011_130.

Guo, X. (2013). Single-molecule electrical biosensors based on single-walled carbon nanotubes. Adv. Mater. 25, 3397-3408. doi:10.1002/ adma.201301219.

Ogi, H. (2013). Wireless-electrodeless quartz-crystal-microbalance biosensors for studying interactions among biomolecules: a review. Proc. Jpn. Acad. Ser. B Phys. Biol. Sci. 89, 401-417. doi:10.2183/pjab.89.401.

Peng, F., Su, Y., Zhong, Y., Fan, C., Lee, S. T., and He, Y. (2014). Silicon nanomaterials platform for bioimaging, biosensing, and cancer therapy. Acc. Chem. Res. 47, 612-623. doi:10.1021/ar400221g.

Shen, M. Y., Li, B. R., and Li, Y. K. (2014). Silicon nanowire field-effect-transistor based biosensors: from sensitive to ultra-sensitive. Biosens. Bioelectron. 60, 101-111. doi:10.1016/j.bios.2014.03.057.

Schneider, E., and Clark, D. S. (2013). Cytochrome P450 (CYP) enzymes and the development of CYP biosensors. Biosens. Bioelectron. 39, 1-13. doi:10.1016/j. bios.2012.05.043.

Dias, A. D., Kingsley, D. M., and Corr, D. T. (2014). Recent advances in bioprinting and applications for biosensing. Biosensors (Basel) 4, 111-136. doi:10.3390/ bios4020111.

Khimji, I., Kelly, E. Y., Helwa, Y., Hoang, M., and Liu, J. (2013). Visual optical biosensors based on DNA-functionalized polyacrylamide hydrogels. Methods 64, 292-298. doi:10.1016/j.ymeth.2013.08.021.

Kwon, S. J., and Bard, A. J. (2012). DNA analysis by application of Pt nanoparticle electrochemical amplification with single label response. J. Am. Chem. Soc. 134, 10777-10779. doi:10.1021/ja304074f.

Li, M., Li, R., Li, C. M., and Wu, N. (2011). Electrochemical and optical biosensors based on nanomaterials and nanostructures: a review. Front. Biosci. (Schol Ed) 3:1308-1331. doi:10.2741/228.

Zhou, Y., Chiu, C. W., and Liang, H. (2012). Interfacial structures and properties of organic materials for biosensors: an overview. Sensors (Basel) 12, 1503615062. doi:10.3390/s121115036.

Ko, P. J., Ishikawa, R., Sohn, H., and Sandhu, A. (2013). Porous silicon platform for optical detection of functionalized magnetic particles biosensing. J. Nanosci. Nanotechnol. 13, 2451-2460. doi:10.1166/ jnn.2013.7406.

Senveli, S. U., and Tigli, O. (2013). Biosensors in the small scale: methods and technology trends. IET Nanobiotechnol. 7, 7-21. doi:10.1049/ iet-nbt.2012.0005.

Valentini, F., Galache, F. L., Tamburri, E., and Palleschi, G. (2013). Single walled carbon nanotubes/polypyrrole-GOx composite films to modify gold microelectrodes for glucose biosensors: study of the extended linearity. Biosens. Bioelectron. 43, 75-78. doi:10.1016/j. bios.2012.11.019.

Lamprecht, C., Hinterdorfer, P., and Ebner, A. (2014). Applications of biosensing atomic force microscopy in monitoring drug and nanoparticle delivery. Expert. Opin. Drug Deliv. 11, 1237-1253. doi:10.1517/17425 247.2014.917078.

Hutter, E., and Maysinger, D. (2013). Gold-nanoparticle-based biosensors for detection of enzyme activity. Trends Pharmacol. Sci. 34, 497-507. doi:10.1016/j. tips.2013.07.002/

Su, L., Jia, W., Hou, C., and Lei, Y. (2011). Microbial biosensors: a review. Biosens. Bioelectron. 26, 17881799. doi:10.1016/j.bios.2010.09.005.

Ding, L., Bond, A. M., Zhai, J., and Zhang, J. (2013). Utilization of nanoparticle labels for signal amplification in ultrasensitive electrochemical affinity biosensors: a review. Anal. Chim. Acta 797, 1-12. doi:10.1016/j. aca.2013.07.035.

Nie, S., Xing, Y., Kim, G. J., and Simons, J. W. (2007). Nanotechnology applications in cancer. Annu. Rev. Biomed. Eng. 9, 257-288. doi:10.1146/annurev. bioeng.9.060906.152025.

Jain, R. K. (2013). Normalizing tumor microenvironment to treat cancer: bench to bedside to biomarkers. J. Clin. Oncol. 31, 2205-2218. doi:10.1200/ JCO.2012.46.3653.

Kunzelmann, S., Solscheid, C., and Webb, M. R. (2014). Fluorescent biosensors: design and application to motor proteins. EXS 105, 25-47. doi:10.1007/978-3-0348-0856-9_2.

Oldach, L., and Zhang, J. (2014). Genetically encoded fluorescent biosensors for live-cell visualization of protein phosphorylation. Chem. Biol. 21, 186-197. doi:10.1016/j.chembiol.2013.12.012.

Randriamampita, C., and Lellouch, A. C. (2014). Imaging early signaling events in T lymphocytes with fluorescent biosensors. Biotechnol. J. 9, 203-212. doi:10.1002/biot.201300195.

De, M. R., Carimi, F., and Frommer, W. B. (2014). Mitochondrial biosensors. Int. J. Biochem. Cell Biol. 48, 39-44. doi:10.1016/j.biocel.2013.12.014.

Su, T., Zhang, Z., and Luo, Q. (2012). Ratiometric fluorescence imaging of dual bio-molecular events in single living cells using a new FRET pair mVenus/ mKOkappa-based biosensor and a single fluorescent protein biosensor. Biosens. Bioelectron. 31, 292-298. doi:10.1016/j.bios.2011.10.034.

Johnson, B. N., and Mutharasan, R. (2014). Biosensor-based microRNA detection: techniques, design, performance, and challenges. Analyst 139, 1576-1588. doi:10.1039/c3an01677c.

Park, K., Jung, J., Son, J., Kim, S. H., and Chung, B. H. (2013). Anchoring foreign substances on live cell surfaces using Sortase A specific binding peptide. Chem. Commun. (Camb) 49, 9585-9587. doi:10.1039/ c3cc44753g.

Du, Z., Li, H., and Gu, T. (2007). A state of the art review on microbial fuel cells: a promising technology for wastewater treatment and bioenergy. Biotechnol. Adv. 25, 464-482. doi:10.1016/j.biotechadv.2007.05.004.

Sun, J. Z., Peter, K. G., Si, R. W., Zhai, D. D., Liao, Z. H., Sun, D. Z., et al. (2015). Microbial fuel cell-based biosensors for environmental monitoring: a review. Water Sci. Technol. 71, 801-809. doi:10.2166/wst.2015.035.

Gutierrez, J. C., Amaro, F., and Martin-Gonzalez, A. (2015). Heavy metal wholecell biosensors using eukaryotic microorganisms: an updated critical review. Front. Microbiol. 6:48. doi:10.3389/fmicb.2015.00048.

Scheller, F. W., Yarman, A., Bachmann, T., Hirsch, T., Kubick, S., Renneberg, R., et al. (2014). Future of biosensors: a personal view. Adv. Biochem. Eng. Biotechnol. 140, 1-28. doi:10.1007/10_2013_251.

Wang, S., Poon, G. M., and Wilson, W. D. (2015). Quantitative investigation of protein-nucleic acid interactions by biosensor surface plasmon resonance. Methods Mol. Biol. 1334, 313-332. doi:10.1007/978-1-4939-2877-4_20.