<Р> Введение
Спрос на медицинскую диагностику с годами неуклонно растет. Это одно из самых быстрорастущих месторождений в мире. На самом деле потребность в экономичном и неинвазивном устройстве, которое демонстрирует высокую чувствительность и быстрое время отклика, неизбежно возросла во всем мире. В связи с этим, Biosensor Technologies обладает преобладающим потенциалом для выполнения этих критериев в междисциплинарной области, начиная от микроэлектронно-механической системотехники, медицины и химии.
По данным Международного союза теоретической и прикладной химии (IUPAC), термин «биосенсоры» можно определить как «интегрированное устройство рецептор-преобразователь, которое обеспечивает выборочную количественную и полуколичественную аналитическую информацию с использованием элемента биологического распознавания» (Thevonet et al. ., 1999). Исходя из этого определения, можно предположить, что Biosensor – это, по сути, аналитическое устройство для обнаружения специфических аналитов с использованием элемента биологического распознавания, встроенного в преобразователь, который преобразует биологический сигнал в электрический сигнал (Lowe, 2008).
Рождение биосенсоров в 1962 году часто ассоциируется с Кларком и Лионом для мониторинга уровня глюкозы в сердечно-сосудистой хирургии. Они использовали фермент глюкозооксидазу в электрохимическом биосенсоре, в котором они доказали, что концентрация растворенного кислорода, определяемая биосенсором, пропорциональна концентрации глюкозы в образцах крови (Clark & Lyons, 1962). Следовательно, в последующие годы исследователи из разных областей техники изобрели различные биосенсоры для применения в медицине и клинических диагностических тестах, а также в биотехнологиях, пищевых продуктах и в окружающей среде (Arya et al., 2008; Caygill et al., 2010; Liu et al. al., 2009).
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Принцип работы электрохимических биосенсоров
В целом, биосенсор состоит из трех основных компонентов: (1) биорецептор для обнаружения аналитов и выработки биологических сигналов, (2) преобразователь для преобразования биологических сигналов в выходные сигналы и (3) система обработки сигналов для усилить и обработать выходные сигналы в презентабельный и отображаемый вывод (Hasan et al., 2014; Perumal & Hashim, 2014). Его можно разделить на два типа: (1) биорецепторные технологии или (2) трансдукционные технологии (Perumal & Hashim, 2014). На рисунке 2.1 показана классификация биосенсоров.
Одной из самых надежных технологий трансдукции является электрохимический биосенсор. Он показал огромные преимущества благодаря простому инструменту и более экономичному, в дополнение к их надежности, высокой чувствительности и быстрому отклику (Mono et al. 2012; Perumal & Hashim, 2014). Факты свидетельствуют о том, что он в основном применяется для мониторинга уровня глюкозы, обнаружения гибридизированной ДНК и диагностики рака в местах оказания медицинской помощи, что привело к улучшению медицинских диагностических тестов (Hasan et al. 2014; Kumar & Neelam, 2016).
Электрохимический биосенсор может быть классифицирован на основе измерения электрических изменений: (1) амперометрический, (2) потенциометрический и (3) кондуктометрический. По сути, он состоит из трехэлектродной установки: рабочего электрода, электрода сравнения и противоэлектрода. Эти три электрода используются для электрохимических измерений.
В этом исследовании, основанном на потенциометрическом методе, ион-селективный электрод (ISE) используется для преобразования активности ионов, растворенных в водном растворе, в электрический потенциал. ISE состоит из двух электродов: электрод сравнения (RE) и индикаторный электрод (IE) (Allen, 2003). Они разделены мембраной, которая позволяет селективным ионам проходить через них. Напряжение, т.е. разность потенциалов между RE и IE, пропорционально концентрации ионов в водном растворе, которая определяется уравнением Нернста (Allen, 2003).
Основные понятия о калиевых каналах с управляемым напряжением
Калиевый канал
Калиевый канал – это канал, через который ионы калия проходят через мембранную клетку. Он состоит из трех основных семейств: калиевые каналы, управляемые напряжением (Kv), калиевые каналы с двумя порами (K2p) и калиевые каналы с внутренней ректификацией (Kir). (Тамарго и др., 2004). Благодаря своему фильтру селективности и структуре пути проводимости, калиевый канал поддерживает высокую скорость проводимости, несмотря на его высокие характеристики селективности в отношении ионов калия (Maljevic & Lerche, 2014).
Калиброванные каналы под напряжением
Калийные каналы, управляемые напряжением, Kv, включают реполяризацию и деполяризацию клеточной мембраны. Разница в концентрации через мембрану во время открытия Kv запускает два процесса в клеточной мембране: деполяризация, которая определяется притоком ионов натрия через потенциал-управляемые натриевые каналы; а также реполяризацию, определяемую истечением ионов калия и инактивацией потенциал-управляемых натриевых каналов (Maljevic & Lerche, 2014). Это основы электрической возбудимости.
Значение предлагаемого исследования
Эпилепсия – распространенное и дорогое неврологическое расстройство
Эпилепсия является наиболее распространенным неврологическим расстройством в развивающихся странах, затрагивающим почти 1% населения мира (WHO, 2005). Пациенты с эпилепсией имеют высокий риск тяжелых травм и могут привести к летальному исходу. Фактически, неконтролируемая эпилепсия в раннем детстве может привести к необратимому повреждению мозга и неспособности к обучению. Сообщается, что среди пожилых людей инвалидность вследствие эпилепсии с годами увеличилась (Xiong, 2001).
Эпилепсия в США обходится до 12,5 миллиардов долларов в год (Kotsopoulos et. al, 2001). Следовательно, эффективная профилактика и действия могут снизить стоимость этого распространенного неврологического расстройства. Усовершенствованные методы диагностики и лечения эпилепсии могут снизить нагрузку на людей с эпилепсией, а также обеспечить экономические преимущества для общества и страны в целом.
Калиевые каналы, управляемые напряжением, связанные с нейрональной эпилепсией
В последние несколько лет в некоторых исследованиях утверждалось, что мутации в семьях калиевых каналов были связаны с несколькими неврологическими расстройствами, такими как эпилепсия (De Curtis et. al. 2018; Jorge et. al, 2011; Maljevic & Lerche, 2014) , Это связано с повышенной возбудимостью нейронной сети (Lerche et. Al, 2013). Эпилепсию можно разделить на две основные группы: симптоматическая (приобретенная) и идиопатическая (генетическая). Среди многочисленных управляемых напряжением калиевых ионных каналов Kv7.2 и Kv7.3 представляют пример того, как мутации калиевых каналов могут приводить к генетическим неврологическим расстройствам, таким как доброкачественные семейные неонатальные судороги (BFNS) и гиперэкситивность периферических нервов (Lerche et al. , 2013; Maljevic & Lerche, 2014).
Следовательно, понимание лежащих в основе генных мутаций поможет в лечении и клиническом ведении пациентов с эпилепсией. Это также обеспечит раннюю диагностику личности и прогнозирование риска для будущих детей и ведения семьи.
Ограничения традиционного биочипа с патч-зажимом
В последнее время несколько ученых разработали различные технологии биочипов для электрофизиологических исследований. Электрофизиология – это изучение электрической активности в организме. Если говорить конкретно о неврологии, он исследует электрическую активность живых нейронов и, таким образом, понимает межклеточные и внутриклеточные сообщения в мозге (Carter & Shieh, 2015). В рамках данного исследования этот метод используется для изучения нервной цепи путем исследования селективных ионных каналов и электрических потенциалов между клеточными мембранами.
Multi-Analyte Biochip – это интересная миниатюрная лаборатория, которая одновременно проверяет большое количество аналитов. Из-за сложности биологических аналитов, ионоселективные электроды (ISE) в Lab-on-a-Chip необходимы для длительного и огромного хранения (Wan Salim et. Al., 2013). Этот дизайн называется Multi-Analyte Biochip (MAB).
Методы Patchclamp Biochip также были разработаны несколькими учеными. Традиционная технология зажима с помощью патча была впервые изобретена Neher & Sakmann в 1976 году путем всасывания небольшого куска клеточной мембраны, называемого мембранным патчем, в стеклянную пипетку диаметром 1-2 мкм. Стеклянная пипетка обладает достаточным сопротивлением для того, чтобы создать уплотнение G-Ω, окружающее пластырь. В результате происходит изоляция мембранного пятна от окружающих клеток и, следовательно, могут быть записаны электрофизиологические измерения.
Однако эта традиционная технология patchclamp имеет свои собственные ограничения: ограниченное пространственное разрешение, низкая пропускная способность и ограниченное измерение в одном месте (Li et. al., 2006; Dunlop et. al., 2008). В связи с этим, развитие технологии MEMs, в частности, в технологии микропроизводства, открыло новое изобретение микропор на плоском патч-зажиме. Несмотря на этот недавний технологический прогресс, все еще существует большой разрыв в производительности и возможностях планарного патч-клампа. Ключевой задачей является проведение и запись в режиме реального времени многопозиционных электрофизиологических измерений на нескольких клетках и нескольких аналитах. Это очень важно для понимания сигналов клеток в мозге.
Из-за сложности структуры человеческого мозга и множества биологических клеток и аналитов механизмы и алгоритмы синдромов эпилепсии остаются сомнительными и противоречивыми. Существует много возможностей для изучения производительности и возможностей биочипов, которые можно использовать для понимания электрической активности в структуре человеческого мозга. По-прежнему существует много способов обнаружения, поскольку функциональные результаты специфических мутаций, связанных с заболеванием, еще не могут быть предсказаны.
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЦЕЛИ
Это приводит к целям исследования. Приступая к этому исследованию, оно пытается: –
Разработать мульти-аналит на основе ионоселективного электрода с планарным биочипом с патч-клампом, называемый NeuronsPatch, для записи многосайтовых измерений цельноклеточного патч-клампа на нейронных клетках.
Проанализировать влияние мутаций калиевого канала с напряжением на возбудимость нейронов.
НАУЧНАЯ МЕТОДИКА
<Р> Материалы
Материалы, инструменты и реагенты получены из Биохимико-биотехнического отдела, Кулийя Инжиниринг, Международный Исламский Университет Малайзии (IIUM) и из инвентаря Исследовательской группы доктора Амани (ARG). Кроме того, некоторые из интенсивных инструментов и экспериментов будут проведены в Университете Малайзии (UM). 4.2 Дизайн и методы исследования
Основная концепция NeuronsPatch – это сборка плоского многослойного биочипа. Он состоит из нескольких слоев; основной слой изготовлен из стекла и содержит поры пятна и микрожидкостные каналы. Другой слой представляет собой слой ионоселективного электрода (ISE). Для обработки сигнала слой ISE будет соединен с нижней кремниевой подложкой, которая измеряет электрическую активность селективных ионных каналов и потенциальной мембраны. Этот дизайн NeuronsPatch является комбинацией Wan Salim et. и др. (2013) и «TissuePatch MEMs Technology» работают с некоторыми модификациями ISE и калиевого канала, связанного с нейронными клетками.
Основной слой: изготовленный из стекла микрофлюидный слой
Особенностью этого основного слоя является слой боросиликатного стекла. Содержит поры для проведения зажатия пластыря. Микрожидкостный канал действует как традиционный пластырь для создания электрической проводимости, заполняя канал раствором электролита. Этот раствор модифицирован, чтобы содержать более низкую концентрацию ионов калия для лучшего контроля напряжения. Этот метод в конечном счете предназначен для создания уплотнения G-Ω вокруг патча.
Ионоселективный электродный слой
Изготовленный из стекла микрофлюидный слой затем будет соединен со слоем ионоселективного электрода (ISE). Этот слой состоит из рабочих электродов (WE) и электродов сравнения (RE). Оба электрода связаны с электрическими контактными площадками. Из-за способности ISE выдерживать длительную очистку в большом количестве электролитов, где его срок службы зависит от стабильных потенциальных мембран (Wan Salim et. Al., 2013), проводящего полимера (СР) поли (3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT) используется. Электрополимеризация пленок PEDOT проводится с использованием методов гальваностатического осаждения и циклической вольтамперометрии (CV). Поли (3,4-этилендиокситиофен): поли (4-стиролсульфонат натрия) (PEDOT: PSS) используется для H ^ + и 〖〖CO〗 _4〗 ^ (2-), тогда как поли (3,4-этилендиокситиофен) : Сульфат калия (PEDOT: K_2 〖SO〗 _4) используется для K ^ +.
Статистический анализ
Значения выражены как среднее ± SEM. Средние различия между группами сравниваются с использованием одностороннего ANOVA, если не указано иное. Р <0,05 считалось статистически значимым.
Мужчины очень долго правили в индустрии фитнеса. Не удивительно, что женщины в равной конкуренции соревнуются с мужчинами в индустрии фитнеса. Они также ищут идеальное тело,
Полимеры представляют собой большие молекулы и имеют одну и ту же структурную единицу, повторяющуюся снова и снова, и эти повторяющиеся единицы известны как мономеры. Эти
Есть несколько разных циклов, вокруг которых вращается Земля. Некоторые из циклов были затронуты катастрофой Фукусима-Дайхатсу. Завод в Фукусиме пострадал от землетрясения силой 9,0 балла. Растения,