КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 18-73-00264
Название(Био)сенсорные системы для телемедицинской диагностики гипоксии на основе прямого анализа экскреторных жидкостей
РуководительАндреев Егор Андреевич, Кандидат химических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2018 - 06.2020 |
Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-402 - Электрохимия и коррозия металлов
Ключевые слователемедицина, электроанализ, сенсоры, биосенсоры, пот, слюна, лактат, гипоксия, функциональное тестирование спортсменов, проводящие полимеры, Берлинская лазурь
Код ГРНТИ31.15.33, 31.19.00
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Эффективная телемедицинская технология подразумевает индивидуальный подход, учитывающий объективные показатели состояния организма. Основная проблема создания такого подхода связана с тем, что ключевые медицинские показатели (например, концентрация глюкозы, лактата в крови) сопряжены с временными (проведение лабораторного анализа после отбора проб) и материальными затратами (специальные реагенты, оборудование, квалифицированный медицинский персонал). Немаловажной особенностью проводимых анализов является этическая и санитарно-гигиеническая сторона вопроса, связанная с нарушением целостности стенок кровеносных сосудов при отборе проб. Исключение травматизма и заражения возможно достичь путем прямого анализа экскреторных жидкостей, например, пота, слюны и др.
Большинство существующих анализаторов не применимы к анализу экскреторных жидкостей из-за присутствия в них целевых аналитов в концентрациях вне диапазона определяемых содержаний (например, концентрация лактата в поте на порядок и более превышает таковую для крови), а также наличия компонентов, отравляющих используемые катализаторы (например, фрагменты белков быстро и необратимо инактивируют платиновые электроды, не позволяя проводить анализ даже разбавленного пота).
Перспективной реализацией телемедицинского подхода может служить диагностика гипоксии. Гипоксия - это недостаток кислорода во всем организме или в отдельно взятых органах или тканях. Маркером гипоксии может выступать молочная кислота и ее соль (лактат), повышение концентрации которых в тканях организма свидетельствует о состоянии гипоксии. Этот показатель используется в спортивной медицине в качестве оценки эффективности тренировки спортсменов - значительное повышение концентрации лактата в процессе испытаний показывает, какие физической нагрузки способен переносить атлет с точки зрения снабжения мышц энергией. Помимо спорта, уровень лактата может применяться для оценки тяжести нарушений дыхания, связанных со сном.
Настоящий проект направлен на создание:
а) химических сенсоров и биосенсоров, применимых к прямому анализу лактата неразбавленных экскреторных жидкостей;
б) прототипа электроаналитической (био)сенсорной системы путем интеграции созданных (био)сенсоров, установки для пробоотбора и микроэлектронных компонентов регистрации, обработки и беспроводной передачи данных с целью дистанционной диагностики гипоксии.
В ходе проекта планируется:
- выявить корреляцию концентрации лактата в экскреторной жидкости и крови
- перейти от анализа крови к анализу экскреторной жидкости и тем самым отказаться от повреждения не только стенок кровеносных сосудов, но и кожных покровов
- устранить проблемы травматизма и необходимости привлечения квалифицированного медицинского персонала для отбора крови с целью анализа лактата как маркера гипоксии
- создать прототип российского компактного электрохимического анализатора с целью разработки носимых устройств для дистанционной диагностики гипоксии
- провести испытание прототипа электроаналитической (био)сенсорной системы совместно с Центром медицины сна Медицинского научно МГУ имени М.В. Ломоносова и "ЦСТиСК Москомспорта" с привлечением спортсменов и добровольцев
- разработать техническое задание для изготовления носимых электроаналитических (био)сенсорных систем для телемедицинской диагностики гипоксии на основе анализа пота
Реализация данного проекта призвана внести вклад в развитие российских наукоемких телемедицинских приложений.
Ожидаемые результаты
Результатами проекта будут:
1. Выявление корреляции концентрации лактата в экскреторной жидкости (пот, слюна) и крови - диагностическая ценность экскреторной жидкости прозволит отказаться от отбора проб крови, избегая тем самым не только стенок кровеносных сосудов, но и кожных покровов. Это позволит отказаться от привлечения квалифицированного медицинского для отбора и анализа проб, упростив процедуру контроля уровня лактата.
2. Планарные электродные структуры для разработки (био)сенсоров - основа для создания промышленного производства компонентов для проведения электроанализа, универсальность планарных структур позволяет проводить гибкую оптимизацию условий для создания (био)сенсоров не только для определения лактата в рамках данного проекта, но и для определения гораздо более широкого круга аналитов. Это позволит в перспективе отказаться от импортных комплектующих.
3. Неферментативные сенсоры и биосенсоры для прямого анализа лактата в неразбавленной экскреторной жидкости - разрабатываемые (био)сенсоры будут обладать аналитическими характеристиками, превосходящими коммерческие и научные аналоги (чувствительность, селективность, стабильность при хранении, воспроизводимость и стоимость изготовления)
4. Прототип российского компактного электрохимического анализатора - развитие отечественной технологической базы для решения различных научно-исследовательских задач, не ограничивающихся исключительно задачами данного проекта.
5. Прототип российского носимого устройства для телемедицинской диагностики гипоксии - внедрение наукоемких технологий в развитие российских телемедицинских приложений.
6. Участие студентов и аспирантов в решении задач проекта - привлечение молодых научных кадров к актуальной научно-исследовательской работе и внедрению наукоемких технологий в медицинские приложения.
7. Публикации в высокорейтинговых научных журналах, представление результатов проекта на международных и всероссийских научных конференциях.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Коллектив молодых ученых Химического факультета МГУ разработал электрохимические сенсоры и биосенсоры для определения лактата, пригодные для диагностики гипоксии на основе анализа неразбавленного пота человека. В настоящее время анализ этой экскреторной жидкости недоступен для рутинного анализа коммерческими приборами, предназначенными для определения лактата в крови. В рамках проекта был апробирован новый энергоэффективный режим, в котором сенсоры не потребляют, а наоборот, производят энергию обеспечивая генерацию сигнала благодаря уникальным свойствам электрокатализатора берлинской лазури. Такой режим позволяет применять упрощенную схему регистрации отклика биосенсора при помощи простейшего амперметра или вольтметра без традиционного применения потенциостата/гальваностата. Благодаря интеграции биосенсора в систему с потосборником и амперметром была показана применимость прототипа для определения лактата в поте в режиме реального времени при вариабельной физической нагрузке. Совместно с сотрудниками «Центра спортивных инновационных технологий и сборных команд» Москомспорта ученые исследовали образцы крови и пота спортсменов-велосипедистов и обнаружили корреляции между изменением концентрации лактата в крови и изменением концентрации лактата в поте активной и неактивной мышцы в ходе ступенчатого нагрузочного теста. Актуальные литературные данные относительно корреляции между концентрацией лактата в поте и в крови противоречивы. Данные результаты имеют не только практическую ценность с точки зрения реализуемости создания носимого диагностического устройства, но расширяет фундаментальные познания в области спортивной медицины. В настоящее время ведутся работы по проектированию микроэлектронной части диагностического устройства и интеграции с системой отбора и электроанализа пота.
Публикации
1. Андреев Е.А., Комкова М.А., Никитина В.Н., Карякин А.А. Reagentless Impedimetric Sensors Based on Aminophenylboronic Acids Journal of Analytical Chemistry, Volume 74, Issue 2, pp 153–171 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1134/S1061934819010040
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках выполнения второго этапа проекта, нацеленного на развитие телемедицинской диагностики, был разработан прототип носимого электроанализатора пота. Созданное устройство использует электрохимические лактатные биосенсоры в режиме генерации мощности. Данный режим, в отличие от принципа работы топливного элемента, нацелен на сохранение аналитических характеристик чувствительного элемента – (био)сенсоров на основе берлинской лазури – и упрощение регистрации сигнала в сочетании с энергоэффективностью. Участники проекта показали, что на основе таких (био)сенсоров возможно создать полностью автономную (без использования внешних источников питания) «wake-up» сенсорную систему с оповещением (включение светодиода) о превышении пороговой концентрации аналита. Результаты этих исследований опубликованы в научном издании Journal of Electroanalytical Chemistry из списка топ-25% Web of Science (https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.113263).
Носимый электроанализатор предназначен для неинвазивной диагностики состояния нехватки кислорода, так называемой гипоксии, маркером которой выступает концентрация лактата. В ходе исследований, проведенных с группой спортсменов-велосипедистов, исполнители проекта доказали существование корреляции между изменениями лактата в крови и поте при физической нагрузке, показав, что пот выступает более быстрым индикатором состояния гипоксии, чем кровь. Это подтверждение диагностической ценности лактата в поте обосновывает практическую применимость разработанного носимого электроанализатора. Этот результат также опубликован соисполнителями проекта в научном издании ChemElectroChem из списка из топ-25% Web of Science (https://doi.org/10.1002/celc.201901703). Прототип носимого устройства был успешно апробирован как в лабораторных условиях в ходе кратковременной тренировки и длительного тестирования, так и на открытом воздухе в процессе вариабельной физической нагрузки.
Публикации
1. Карпова Е.В., Лаптев А.И., Андреев Е.А., Карякина Е.Е., Карякин А.А. Relationship Between Sweat and Blood Lactate Levels in Course of an Exhaustive Physical Exercise ChemElectroChem, № 7, выпуск 1, стр. 191-194 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1002/celc.201901703
2. Комкова М.А., Карякин А.А., Андреев Е.А. Power output of Prussian Blue based (bio)sensors as a function of analyte concentration: Towards wake-up signaling systems Journal of Electroanalytical Chemistry, том 847, номер статьи 113263 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.113263
3. Карпова Е.В. Электрохимические (био)сенсоры на основе гексацианоферратов железа и никеля для медицинской диагностики Автореферат, г. Москва, - (год публикации - 2019)
Возможность практического использования результатов
Эффект повышения проводимости сенсорного материала (боронат-замещеннного полианилина), наблюдаемый при его связывании с аналитом, является научным приоритетом соисполнителей проекта, поскольку для подавляющего большинства родственных материалов аналогичный эффект не был получен. В отличие от понижения проводимости, причиной которого может выступать не только специфическое связывание с целевой молекулой, но также фоновые процессы, в том числе деградация материала, противоположный эффект – повышение проводимости – свидетельствует о специфическом связывании. Возможность функционирования как в водной, так и воздушной среде, а также применимость к детекции микроорганизмов делает этот материал перспективным для таких сенсорных приложений, как экологический и промышленный мониторинг, а также открывает новые возможности для фундаментальных исследований зарядовых процессов для проводящего полианилина.
В рамках создания чувствительных элементов для носимых устройств был продемонстрирован режим генерации мощности, разработанный для (био)сенсоров на основе берлинской лазури. Данный режим открывает возможности создания полностью автономных сигнальных сенсорных систем, «просыпающихся» при превышении порогового значения определяемого вещества, сохраняя при этом выдающиеся аналитические характеристики (селективность, чувствительность, операционная стабильность), присущие (био)сенсорам под управлением внешних устройств (потенциостатов/гальваностатов). Такие системы востребованы в экологическом и медицинском мониторинге благодаря простоте функционирования и энергоэффективности, а соответствующие пионерские работы группы ученых, включающих в себя исполнителей проекта, обеспечивают приоритет Российской Федерации при развитии новых направлений.
Разработанный в рамках проекта прототип носимого электроанализатора нацелен на развитие телемедицинских технологий и неинвазивной диагностики. Проведенные исследования помогли разрешить противоречия относительно корреляции метаболитов в различных биологических жидкостях. На примере изменений лактата в поте и крови в ходе ступенчатого нагрузочного теста спортсменов была подтверждена положительная корреляция между потом и кровью. Результаты данного проекта подтвердили диагностическую ценность лактата в поте и возможность реализации неинвазивной диагностики. Практическая применимость данных результатов была показана в ходе испытаний прототипа носимого устройства на добровольцах в процессе физической нагрузки как в лабораторных условиях, так и на открытом воздухе. При испытаниях данные, собираемые прототипом, передавались по беспроводному протоколу на мобильное устройство без участия пользователя на всех этапах эксперимента, что полностью соответствует парадигме телемедицинских технологий.