Biosensory

Biosensory zrewolucjonizowały diagnostykę oraz opiekę medyczną, a także znalazły zastosowanie w wielu dziedzinach niezwiązanych bezpośrednio z medycyną – ochronie środowiska, produkcji żywności, a nawet w walce z bioterroryzmem. Rynek biosensorów rośnie bardzo dynamicznie, analitycy przewidują, że jego wartość może osiągnąć aż 25 miliardów dolarów w roku 2020, a nawet 29 mld USD przed rokiem 2024 [1, 2, 3].

Pierwsze biosensory nauka zawdzięcza Lelandowi C. Clarkowi Jr., amerykańskiemu biochemikowi, który często nazywany jest ojcem biosensorów. Clark w roku 1956 skonstruował i opisał pierwszy prawdziwy biosensor – elektrodę służącą do wykrywania tlenu, która – na cześć wynalazcy – została nazwana elektrodą Clarka. Kolejnym wynalazkiem Amerykanina, była amperometryczna (bazująca na pomiarze zależności natężenia prądu oraz stężenia substancji), enzymatyczna elektroda, służąca do wykrywania glukozy. W ślad za Clarkiem podążyli inni konstruktorzy, co przyniosło pierwszy sensor potencjometryczny (Guilabult i Montalvo, Jr, 1969), a w końcu pierwszy komercyjny biosensor do detekcji glukozy (1975, Yellow Springs Instruments). Od czasu początkowych osiągnięć i pomysłów w konstrukcji biosensorów, rynek ten rozwija się niezwykle dynamicznie, szczególnie dzięki zastosowaniu metod biologii, chemii, fizyki, elektroniki i inżynierii [2, 4].

Biosensory najczęściej składają się z trzech podstawowych segmentów – cząsteczki biologicznej, pełniącej rolę elementu czułego, przetwornika sygnału oraz detektora, którego zadaniem jest odbieranie informacji z przetwornika. Badanie próbki z zastosowaniem biosensorów opiera się o zjawisko specyficznego rozpoznania materiału, będącego w kontakcie z czujnikiem – część biologiczna sensora selektywnie reaguje z analizowaną substancją, dzięki czemu powstaje możliwy do zmierzenia sygnał. W konstrukcji różnych typów biosensorów, stosowane mogą być różnorodne rodzaje biologicznych elementów – enzymy, całe komórki, bądź pojedyncze ich organelle, przeciwciała, receptory komórkowe czy też kwasy nukleinowe (biosensory można klasyfikować m.in. ze względu na to, jaki został zastosowany element biologiczny). Zróżnicowane mogą być zjawiska monitorowane przez biosensor – niektóre czujniki umożliwiają bezpośrednie śledzenie stężenia analitów w roztworze po zajściu przemian chemicznych, inne natomiast pozwalają badać przebieg reakcji na podstawie pomiarów ilości biorących w niej udział aktywatorów czy inhibitorów. Rozmaite są również odmiany stosowanych przetworników – elektrochemiczne, akustyczne, termiczne, mikrowspornikowe i inne [3, 5].

Biosensory odnalazły bardzo wiele zastosowań w różnych dziedzinach, jednakże prawdopodobnie najszerzej używane są w medycynie. W poprzednich dekadach największy odsetek biosensorów znalazł przeznaczenie w szpitalach, w systemach badania stanu pacjenta – od prostych układów do monitorowania poziomu glukozy we krwi, aż po techniki służące do wykrywania markerów nowotworowych, czy też obecności wirusów (np. HIV) w organizmie. Jednym z ciekawych przykładów jest, opracowywana przez szwajcarską firmę Luciole Medical AG, oparta o biosensory platforma, wykorzystywana do pomiaru nasycenia tlenem krwi w mózgu [1].

Na szczególną uwagę zasługuje jednak, bardzo szybko rozwijający się, rynek biosensorów do stosowania w domu. Ten rodzaj urządzeń, może być wybawieniem dla wielu pacjentów zmagających się z chronicznymi schorzeniami – codzienne domowe badania mogą w lepszym stopniu kontrolować skutki uboczne terapii, jednocześnie umożliwiając precyzyjne monitorowania postępowania choroby. Tego typu sensory znajdują także zastosowanie w terapii. Rozwijane są tzw. digital pills – kapsułki, zawierające lek, ale także nadajnik radiowy aktywowany poprzez interakcję z kwasem żołądkowym – gdy pacjent bierze leki, informacja o tym jest przesyłana do zintegrowanego z systemem smartfonu, a także na zewnętrzny serwer, dzięki czemu lekarz może mieć pewność, że chory bierze leki zgodnie z zaleceniami [1].

Polscy naukowcy również pracują nad biosensorami i coraz bardziej zaznaczają swój wkład w rozwój tej dziedziny. Od roku 2017, grupa naukowców z AGH prowadzona przez prof. dr hab. Edytę Proniewicz pracuje nad biosensorem, który ma być zdolny do wykrycia i dezaktywowania bombezyny – naturalnie występującego w organizmie polipeptydu, który stymuluje rozwój komórek raka piersi, żołądka i prostaty. Przykładem komercyjnym jest, opracowany przez dra inż. Dawida Nidzworskiego i firmę, którą współzałożył, oparty o biosensor, przenośny test pozwalający określić czy infekcja u pacjenta ma podłoże bakteryjne czy wirusowe [2, 6].

Biosensory to urządzenia, które mają ogromny potencjał aby zmienić życie pacjentów w przyszłości. Pomimo, że technologia nadal jest na wczesnym etapie rozwoju, widać coraz większe zainteresowanie naukowców i inwestorów. Nietrudno wyobrazić sobie dalszą przyszłość, kiedy biosensory będą standardem jak chodzi o badania diagnostyczne i monitorowanie stanu zdrowia, i razem z narzędziami medycyny spersonalizowanej, uczynią terapie prostszymi i łatwiej dostępnymi.


Źródła:

  • [1] – T. Cynober – Biosensors: Monitoring our Health Anywhere, Anytime, https://labiotech.eu
  • [2] – A. Kłos-Witkowska – Biosensory, Pomiary Automatyka Robotyka, R. 19, Nr 3/2015, 37–40
  • [3] – K. Konarzewska – Nowoczesna diagnostyka, czyli kilka słów o biosensorach, https://biotechnologia.pl
  • [4] – P. Estrella (red.) – Introduction to Biosensors, Essays Biochem. 2016 Jun 30; 60(1): 1–8, www.ncbi.nlm.nih.gov
  • [5] – P. Cynk, E. Gaweł – Zastosowanie biosensorów w diagnostyce choroby nowotworowej, Przegląd Medyczny Uniwersytetu Rzeszowskiego i Narodowego Instytutu Leków w Warszawie, Rzeszów 2012, 3, 373–378
  • [6] – K. Duszczyk – Bombezyna nie musi powodować raka, http://naukawpolsce.pap.pl

Autor: Michał Gołąbek, ExecMind – International Executive Search

Michał Gołąbek jest absolwentem Inżynierii Biomedycznej na AGH, w specjalności bionanotechnologie, kontynuował również edukację na studiach podyplomowych z Biologii Molekularnej na Uniwersytecie Jagiellońskim. Obecnie pracuje w firmie ExecMind, gdzie zajmuje się łączeniem czołowych talentów naukowych, z całego świata, z możliwościami rozwoju w sektorze Life Science i technologii medycznych, a także analizą rynku biotechnologicznego.

Artykuł przygotowany w ramach projektu ProBio Małopolska

PODZIEL SIĘ