Флуоресцентная биосенсорная система, управляемая ферментами, быстро измеряет уровни лактата и других метаболитов в крови, что может обеспечить быструю диагностику в месте оказания медицинской помощи.
В неотложной медицине уровни лактата в крови являются надежным индикатором в реальном времени тяжести и риска смерти от состояний, которые возникают в результате плохого кровообращения и снабжения кислородом органов и тканей (гипоперфузия), например, у пациентов с сепсисом, сердечными заболеваниями. остановка, инсульт, серьезная травма, кистозный фиброз и другие состояния. Уровни лактата также служат ранней оценкой реакции пациентов на лечение. В отделениях интенсивной терапии анализ лактата крови обычно выполняется с помощью лабораторных анализаторов, что приводит к примерно трехчасовой задержке между сортировкой и получением результата по лактату крови из-за необходимости транспортировки образцов в лабораторию больницы. Однако это время часто значительно превышает концептуальный «золотой час».
Чтобы помочь врачам принимать решения, исследователи из Института Висс создали гораздо более быстрый метод определения лактата , основанный на высокочувствительной системе флуоресцентного биочувствительного анализа и обеспечивающий точное измерение лактата за несколько минут, что делает его идеальным для разработки для тестирования в с прикроватной тумбочки.
Разработка датчика лактата
В условиях безудержной инфекции патогенами, острых сердечно-сосудистых нарушений или тяжелых физических травм кровоснабжение тканей и органов может быть значительно нарушено. Как следствие, ткани получают недостаточный уровень кислорода, что заставляет их переключаться с кислородно-зависимого (аэробного) на кислородно-независимый (анаэробный) метаболизм для поддержания своих энергетических потребностей. Поскольку анаэробный энергетический обмен производит лактат, который в конечном итоге попадает в центральную систему кровообращения, уровни лактата в крови косвенно отражают общее состояние перфузии пациента.
Разработав двухступенчатый ферментативный процесс и инкапсулируя его в липосомы, Саймон Матури, доктор философии, и Дэвид Муни , доктор философии. создал везикулярный реакционный отсек, который при добавлении к образцам крови поглощает лактат и указывает его уровни соответствующим линейным уменьшением флуоресцентного сигнала в клинически значимом диапазоне лактата. В первой реакции лактат превращается в метаболит пируват и перекись водорода активных форм кислорода с помощью фермента лактазооксидазы, инкапсулированного в везикулах. Затем во второй химической реакции образовавшаяся таким образом перекись водорода используется другим ферментом, пероксидазой хрена (HRP), для окисления специально выбранной молекулы флуоресцентного красителя, в результате чего ее флуоресценция гаснет.
Эта схема описывает двухступенчатую ферментативную реакцию в липосомальном реакционном отделении. Интересующий метаболит (например, лактат; белый треугольник) диффундирует через мембрану и окисляется специфическим для метаболита ферментом (синяя форма), который в процессе образует перекись водорода. HRP, в свою очередь, используется пероксидазой водорода (HRP; зеленая форма) для окисления флуоресцентного красителя сульфоцианина 7 (красная звезда), гашения его флуоресценции в ближнем инфракрасном диапазоне (серая звезда) и обеспечения количественного определения метаболитов с помощью флуорометрии.
Ключом к этой ферментативной стратегии была идентификация молекулы флуоресцентного красителя сульфо-цианин 7 как субстрата HRP, который флуоресцирует в ближнем инфракрасном спектре света. В отсутствие HRP сульфоцианин 7 является высокостабильным, водорастворимым и излучает флуоресценцию в ближнем инфракрасном спектре, что важно, поскольку на него не влияет гемоглобин, присутствующий в высоких концентрациях в крови. Кроме того, инкапсулируя весь ферментативный процесс в липосомных везикулах, перекись водорода, образующаяся в первой ферментативной реакции, защищается от ферментов в красных кровяных тельцах, которые в противном случае быстро разрушили бы ее. Проверочные исследования, проведенные исследовательской группой, продемонстрировали, что флуоресцентный анализ лактата дает точные измерения лактата в клинически значимом диапазоне в течение десяти минут,
В будущем эти чувствительные к лактату флуоресцентные липосомы можно будет добавлять в каплю крови пациента, а полученную потерю флуоресценции количественно определять с помощью небольшого портативного флуориметра. Затем сигнал флуоресценции можно преобразовать в соответствующий уровень лактата в крови, а результаты отобразить на смартфоне.
Помимо применения в неотложной медицине, биосенсорная система лактата может также использоваться в спортивной медицине, поскольку спортсмены оценивают свои результаты и оптимизируют режим тренировок на основе уровня лактата в крови. Лактат образуется, когда мышцы интенсивно используются и не могут получить достаточное количество кислорода из кровообращения, заставляя их переключать свой энергетический метаболизм с кислородно-зависимого режима на кислородно-независимый. В настоящее время исследователи адаптируют свой метод к неинвазивному измерению уровня лактата в поту, который в сочетании с портативным флюорометром может предоставить спортсменам индикатор производительности на ходу.
Универсальная биосенсорная платформа для метаболитов
Стехиометрическое превращение лактата в перекись водорода в сконструированной ферментативной реакционной камере и количественное определение образующейся перекиси водорода флуоресцентным репортерным красителем предоставило возможность обнаружить другие клинически значимые метаболиты. Заменив первую лактат-специфичную ферментную реакцию на другие реакции, которые производят перекись водорода в ответ на другие метаболиты, такие как глюкоза, этанол / метанол и ураты, исследователи создали простые и быстрые биосенсорные системы с потенциальным значением для таких состояний, как сахарный диабет , отравление алкоголем и метанолом и подагра соответственно. Таким образом, подход представляет собой универсальную платформу для биочувствительности метаболитов и имеет потенциал для быстрого определения уровней ряда метаболитов, а также лекарственных препаратов в крови и других жидкостях организма.
Эта технология в настоящее время находится в процессе снижения риска в Wyss Institute и доступна для лицензирования.
Источник: Институт Висса при Гарвардском университете
Фото: Институт Висса при Гарвардском университете