Компактная оптическая биосенсорная аналитическая система для медицины

Цель работы — разработка компактной аналитической системы экспрессного определения наличия и концентрации дауномицина (ДАУ) как в модельных лабораторных растворах, так и в крови пациентов, терапия которых связана с использованием этого антибиотика. Это вызвано практическими потребностями лечения онкологических больных указанным антибиотиком, интерес к применению которого в клиниках РФ и за рубежом остается по-прежнему очень высоким в связи с его эффективностью.

Биосенсорный метод определения дауномицина в жидкости основан на использовании в качестве чувствительных элементов (биодатчиков) "жидких" частиц ДНК, самопроизвольно возникающих при фазовом исключении (конденсации) молекул ДНК из водно-солевых растворов полимеров [1, 2]. В результате фазового исключения жесткие, двухцепочечные молекулы ДНК низкой молекулярной массы упорядочиваются и образуют частицы (размером ~ 0.5 мкм) холестерической жидкокристаллической дисперсии (ХЖКД) ДНК, для которых характерна аномальная оптическая активность в полосе поглощения азотистых оснований ДНК (λ ~270 нм). Жидкокристаллическое упорядочение не нарушает реакционной способности молекул ДНК, и окрашенные противоопухолевые антибиотики, включая дауномицин (ДАУ), из биологической жидкости могут легко проникать внутрь таких частиц и встраиваться (интеркалировать) между парами азотистых оснований ДНК без нарушения характера упорядочения этих молекул. В результате этого процесса в области поглощения хромофоров ДАУ в спектре кругового дихроизма (КД) ХЖКД комплексов [ДНК+ДАУ] на длине волны 512 нм возникает аномальная оптическая активность, при определенных условиях пропорциональная концентрации дауномицина в жидкости, которая регистрируется при помощи портативного дихрометра [3, 4].

Рис. 1. Экспериментальный образец автоматизированного компактного дихрометра (СКД-4МУФ) биосенсорной аналитической системы

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ДИХРОМЕТРА

Созданный экспериментальный образец (рис. 1) автоматизированного компактного дихрометра способен работать с биодатчиком на основе комплекса ХЖКД [ДНК+ДАУ] на длине волны 512 нм и контролировать его качество на длине волны 270 нм. Диапазон работы дихрометра в режиме измерения оптической плотности образцов: минимальная — не более 30 оптических единиц, максимальная — не менее 3000 оптических единиц (о. е.).

В дихрометр встроен микрокомпьютер с расширенными коммуникационными возможностями. Габаритные размеры дихрометра 210×360×380 мм, вес 10 кг. Для распечатки результатов тестов предусмотрена возможность установки встраиваемого термопринтера. Для ввода информации о био- датчике предусмотрено подключение сканера штрих-кодов, имеется возможность передавать данные по беспроводным каналам Wi-Fi и Bluetooth, в сети Ethernet, а также интегрировать прибор в современные лабораторные информационные системы.

В дихрометре в качестве источников излучения применены светодиоды высокой яркости излучения S12LG2C-B и S12LR2C-B фирмы Prolight Company, излучающие соответственно зеленый свет на длине волны 515 нм (в максимуме аномальной полосы КД ХЖКД комплекса [ДНК+ДАУ]) и красный свет на длине волны 635 нм, вдали от указанной полосы. Для контроля качества используемого биодатчика применен светодиод UVTOP270, излучающий на длине волны 274.4 нм с полушириной спектра 10 нм. Источники включаются поочередно.

Рис. 2. Оптическая схема автоматизированного компактного дихрометра

Введение контрольного излучателя (на длине волны 635 нм) позволяет учесть вклад фоновых сигналов в измеряемый сигнал КД, соответствующий изменению оптических свойств КД биодатчика только под действием ДАУ из анализируемой жидкости. Для компенсации расходимости излучения светодиодов использованы коллимирующие линзы, а для сужения спектра излучения до 10– 12 нм применены интерференционные фильтры, зеленый с максимумом пропускания на 512 нм и красный с максимумом пропускания на 633 нм. Излучение светодиодов с помощью дихроичных зеркал направляется по одному пути на поляризационную призму из KDP, выделяющую излучение с линейной поляризацией под углом 45° (рис. 2).

В дихрометре использован модулятор круговой поляризации фотоэластического типа из склейки двух брусков (из кристаллического и плавленого кварца). Узел для размещения образцов биодатчиков представляет собой блок для стандартной кварцевой кюветы с терморегулирующим устройством на основе элементов Пельтье. Диапазон установки температуры 12–80 °С, точность установки ±0.5 °С. В качестве фотоприемника использован фотодиод S1337-1010BQ, чувствительный и в УФ-области.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС НА РАЗРАБОТАННОМ ДИХРОМЕТРЕ

Система регистрации является основным элементом прибора, осуществляющим выделение, оцифровку сигнала кругового дихроизма, управление модулятором, термостатом и передачу полученных данных в компьютер для дальнейшей обработки.

Программное обеспечение (ПО) для встроенного в прибор компьютера посредством передачи на встроенную в прибор плату с микроконтроллером управляющих команд осуществляет установку режима работы до, во время и после проведения измерения таких параметров элементов дихромет-ра, как напряжение на модуляторе, коэффициенты усиления постоянной и переменной составляющих сигнала, токи на светодиодах; поддерживает заданную температуру в кюветном отделении, периодически считывая значение температуры с термодатчика и устанавливая напряжение на элементе Пельтье; передает команду на считывание величины изменений напряжения с фотодиода, после чего вычисляет значение сигнала КД образца. В эту же часть ПО входят некоторые вспомогательные функции, например калибровка модулятора круговой поляризации.

Аналитическая часть ПО, используя элементы управления интерфейса, которые эта часть ПО выводит на экран, управляет операцией биосенсор-

Рис. 3. График зависимости величины сигнала КД ХЖКД комплекса [ДНК+ДАУ] от концентрации дауномицина в жидкой пробе ного измерения концентрации дауномицина в аналитической пробе. В процессе этой операции измеряется исходное значение сигнала КД биодатчика, которое используется как базовый сигнал — АБАЗ, затем измеряется значение сигнала КД аликвоты раствора дауномицина — АДАУ. Разность полученных значений AДАУ-БАЗ = АДАУ – АБАЗ подставляется в формулу, описывающую калибровочную кривую (рис. 3)

C = ln(C2/(AДАУ-БАЗ + C1))/C3, где C1, C2, C3 — калибровочные коэффициенты, определяемые при предварительной калибровке тест-системы по разным концентрациям дауноми-цина. В результате с учетом коэффициента разбавления вычисляется значение концентрации дауномицина в аналитической пробе.

Аналитическая часть ПО позволяет также ввод информации об организации и операторе (проводящем анализ); ввод рабочих условий проведения анализа (температура, время накопления сигнала, количество повторов) и вывод результатов анализа. В эту же часть ПО входит операция предварительной калибровки биосенсорной тест-системы, при которой по серии измеренных значений сигналов КД образцов с известной концентрацией и с учетом значения базового сигнала КД биодатчика симплекс-методом определяются коэффициенты C 1 , C 2 , C 3 калибровочной кривой.

Значение сигнала КД при контроле качества биодатчика вычисляется как разность сигналов КД на длине волны 274.5 и 633 нм; при калибровке тест-системы и определении концентрации ДАУ — как разность сигналов на 512 и 633 нм.

В процессе выполнения работы проведена оптимизация режимов дихрометра и элементов программного обеспечения биосенсора, проведена калибровка биосенсорной системы по оптической плотности по оптическому сигналу КД лабораторных растворов нескольких различных концентраций митоксантрона, интеркалированного в частицы ХЖКД комплекса [ДНК+МХ], проявляющие значимый сигнал КД на всех трех длинах волн, на которых работает дихрометр. Проверка правильности измерений прибором сигналов КД используемых растворов на длинах волн 274.5, 515 и 635 нм осуществлялась с помощью полифун-ционального дихрометра СКД-2МУФ [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на основе компактного дихро-метра с использованием ДНК-биодатчиков создан экспериментальный образец биосенсорной аналитической системы для определения дауномицина в жидкости и проведено его испытание. Такая биосенсорная аналитическая система сможет в автоматическом режиме за несколько минут определять терапевтические концентрации ДАУ на уровне ~5.0∙10–6 моль/л, что сопоставимо с пределами определения дауномицина при помощи классических методов и аппаратуры с их более длительными процедурами анализа.