ИСТИНА

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.

Advanced telemedicine technology implies an individual approach that takes into account objective indicators of human health. The main problem of creating such an approach is that determination of the main medical indicators (for example, blood glucose or lactate) is time-consuming, requires special reagents, equipment, qualified medical personnel. An important feature of the analyzes is the ethical and hygienic issue, related to the injury of blood vessels during sampling. The elimination of injuries and infections can be achieved by direct analysis of excretory fluids, for example, sweat, saliva, etc. (For example, the concentration of lactate in sweat is an order of magnitude and higher than blood lactate), and also uses components that poison the catalysts used (for example, protein fragments quickly and irreversibly inactivate platinum electrodes, making it impossible to analyze even dilute sweat). A promising implementation of the telemedical approach can be the diagnostics of hypoxia. Hypoxia is the lack of oxygen in the entire body or in separate organs or tissues. A marker of hypoxia can be lactic acid and its salt (lactate), increasing the concentration of which in the tissues of the body indicates the state of hypoxia. This indicator is used in sports medicine as an evaluation of the effectiveness of training athletes - a significant increase in lactate concentration during the test shows what physical load the athlete is able to overcome in terms of supplying muscles with energy. In addition to sports, the level of lactate can be used to assess the severity of sleep-related breathing disorders. This project aims at creation: a) chemical sensors and biosensors applicable to direct analysis of lactate undiluted excretory fluids; b) electroanalytical (bio)sensor system by integrating the creation (bio) sensors, sampler and microelectronic components for recording, processing and wireless transfer of data for the purpose of remote diagnosis of hypoxia. During the project we plan: - to reveal correlation of lactate concentration in excretory fluids and blood - to switch from a blood test to an analysis of the excretory fluid and thus refuse to damage not only the walls of the blood vessels but also the skin - to eliminate the problems of injuries and the need of qualified medical personnel for blood sampling for the purpose of analyzing lactate as a marker of hypoxia - to create a Russian compact electrochemical analyzer with the goal of developing wearable devices for the remote diagnostics of hypoxia - to test a prototype of electroanalytical (bio)sensor system in colaboration with the Center of sleep medicine of Medical scientific educational center of M.V. Lomonosov Moscow State University and Center of athletic innovative technology and teams of Moskomsport with the involvement of athletes and volunteers - to form the plan of development and operation for the manufacturing of wearable electroanalytical (bio)sensor systems for telemedicine hypoxia diagnostics based on sweat analysis. The implementation of this project is intended to take part in the development of Russian science-intensive telemedicine applications.

1 год. Неферментативные сенсоры на основе проводящего полианилина и биосенсоры на основе Берлинской лазури для определения лактата как маркера гипоксии и нарушений сна в неразбавленных экскреторных жидкостях (пот, слюна). 1.1. Разработка и изготовление неферментативных сенсоров на основе проводящего полианилина для определения лактата в концентрациях, характерных для неразбавленных экскреторных жидкостей (пот, слюна). 1.2. Разработка и изготовление биосенсоров на основе Берлинской лазури с иммобилизованной лактатоксидазой для определения лактата в концентрациях, характерных для неразбавленных экскреторных жидкостей (пот, слюна). 1.3. Электроанализ лактата в режиме периодического контроля при помощи неферментативных сенсоров на основе проводящего полианилина и при помощи биосенсоров на основе Берлинской лазури с иммобилизованной лактатоксидазой. 1.4. Выявление корреляции концентраций лактата в экскреторных жидкостях (пот, слюна) и в крови. Выбор экскреторной жидкости, обладающей наиболее достоверной корреляцией с кровью. 1.5. Разработка конструкции потосборника, предназначенного для отбора пота, выделяющегося на поверхности кожи (в случае выбора слюны дальнейшие пункты плана будут аналогичным образом переориентированы на выбранную экскреторную жидкость). 1.6. Интеграция неферментативных сенсоров и биосенсоров на основе Берлинской лазури, сопряженных с коммерческим компактным электрохимическим анализатором, в потосборник с целью проведения мониторинга лактата в модельных условиях. 1.7. Апробация (био)сенсорных систем в периодическом и длительном режиме анализа пота в ходе вариабельной физической нагрузки испытуемых различного пола и возраста с целью выявления гипоксии, а также анализ пота в процессе сна совместно со специалистами из Медицинского научно-образовательного центра МГУ имени М.В. Ломоносова (Центр медицины сна). 1.8. Подготовка научных публикаций, курсовых работ и диссертаций. 2 год. Лабораторный образец телемедицинской (био)сенсорной системы, включающей неферментативный сенсор или биосенсор на основе Берлинской лазури, потосборник и устройство регистрации, обработки и беспроводной передачи данных. 2.1. Разработка компактного электрохимического анализатора на основе коммерческих плат с микроконтроллерами и элементами расширения, совместимых с разработанными в течение 1 года (био)сенсорами. 2.2. Разработка и создание микроэлектронного компонента для электроанализатора из пункта 2.1., осуществляющего обработку и беспроводную передачу данных на удаленное устройство (например, персональный компьютер по протоколу Bluetooth с низким энергопотреблением или Wi-Fi). 2.3. Интеграция неферментативного сенсора или биосенсора, потосборника и микроэлектронных компонентов из пп. 2.1 и 2.2 с целью создания прототипа (био)сенсорной системы для телемедицинской диагностики гипоксии на основе анализа экскреторных жидкостей. 2.4. Апробация прототипа из п. 2.3 в ходе анализа предварительно отобранных образцов экскреторных жидкостей, исследование аналитических характеристик прототипа (чувствительность, операционная стабильность). 2.5. Валидизация прототипа (био)сенсорной системы из п. 2.3. в периодическом и длительном режиме дистанционного анализа пота в ходе вариабельной физической нагрузки испытуемых и в процессе сна. 2.6. Модернизация прототипа (био)сенсорной системы из п. 2.3. путем перехода к упрощенной регистрации сигнала при помощи компактного вольтметра или амперметра в режиме генерации мощности. 2.7. Апробация модернизированной (био)сенсорной системы из п. 2.6. в ходе дистанционного анализа лактата в предварительно отобранных образцах экскреторных жидкостей, исследование аналитических характеристик модернизированного прототипа (чувствительность, операционная стабильность). 2.8. Техническое задание для изготовления носимых (био)сенсорных систем для телемедицинской диагностики гипоксии на основе анализа пота. 2.9. Подготовка научных публикаций, курсовых, дипломных и диссертационных работ студентов химического факультета.

Заявителем создан новый протокол регистрации аффинных взаимодействий на примере детектирования полиолов (сахаров и гидроксикислот) на основе боронат-замещенных полианилинов. Впервые для безреагентных аффинных сенсоров появилась возможность распознать аффинное взаимодействие на фоне неспецифических процессов. Новые неферментативные сенсорные материалы были применены для широкого круга аналитов, сахара и гидроксикислоты, плесневые грибы. Перспективным преимуществом разработанных сенсорных материалов является отсутствие биораспознающих элементов, что обуславливает большую стабильность сенсоров на их основе по сравнению с биосенсорами. Научно-исследовательская работа заявителя в лаборатории профессора Карякина, обладающего значительным опытом реализации НИР в области биосенсорики более 20 лет и опубликовавшего более 120 статей в высокорейтинговых международных журналах по данной тематике, помимо неферментативных сенсоров, посвящена разработке и созданию сенсоров и биосенсоров на основе Берлинской лазури, предлагаемых для решения задач данного проекта. Также заявитель обладает опытом в изготовлении планарных электродных структур, изготавливаемых методом трафаретной печати, для (био)сенсоров, а также электрохимических ячеек для них (с 2012 года по настоящее время). Кроме того, исполнители, участие которых предполагается в данном проекте, продемонстрировали научные достижения, применимые для реализации поставленных задач. Комкова М.А. разработала сенсоры на основе берлинской лазури, функционирующие без потенциостата в режиме генерации мощности, позволяющие упростить схему анализа и модернизировать прототип (био)сенсорной системы. Карпова Е.В. предложила методы стабилизации электрокатализаторов на основе Берлинской лазури, применимые для достижения необходимых аналитических характеристик биосенсоров (операционная стабильность, диапазон определяемых концентраций и предел обнаружения лактата).

1.1. Методом шелкографии изготовлены печатные электроды с различными материалами вспомогательного электрода – серебряным и углеродным. Разработаны сенсоры на основе поли(3-аминофенилборной кислоты), пригодные для определения лактата в неразбавленном поте (до 100 ммоль/л) - в том числе, в энергоэффективном режиме, позволяющем применять упрощенную систему регистрации. 1.2. Изготовлены биосенсоры на основе берлинской лазури пригодные для определения лактата в неразбавленном поте (до 80-100 ммоль/л). Биосенсоры также способны функционировать в энергоэффективном режиме, позволяющем применять упрощенную систему регистрации. Результаты исследований энергоэффективного режима представлены в статье, опубликованы в журнале Journal of Electroanalytical Chemistry (издательство Elsevier) из топ-25% по WoS. 1.3. На основании данных измерений образов неразбавленного пота, отобранного у добровольцев в состоянии покоя с концентрациями лактата в диапазоне от 11 до 42 ммоль/л, была показана корреляция (коэффициент корреляции составил 0.97) результатов измерений при помощи разработанных сенсоров и биосенсоров. Таким образом, обе схемы применимы для решения задач настоящего проекта. 1.4. Была подтверждена корреляция данных электрохимического определения лактата и данных релевантных методов определения лактата – фотометрического и хроматографического (ВЭЖХ МС), коэффициенты корреляции 0.94 (f=4, P=0.95) и 0.85 (f=6, P=0.95), соответственно. Таким образом, электрохимический метод может быть использован как независимый подход к анализу пота. 1.5. Разработан потосборник, пригодный для анализа пота в реальном времени при помощи изготовленных (био)сенсоров. В потосборнике реализован пассивный транспорт жидкости, не требующий сложных элементов или источников питания. 1.6. Биосенсор интегрирован в разработанный потосборник с целью создания прототипа носимого электроанализатора для диагностики гипоксии. 1.7. Проведена апробация прототипа носимого устройства, состоящего из потосборника, биосенсора и измерительного устройства на основе коммерческого потенциостата EmStat (PalmSens B.V., Нидерланды), подключенного к смартфону – показано, что изменение сигнала биосенсора совпадает с изменением интенсивности нагрузки. 1.8. Опубликованы научные статьи: в Journal of Electroanalytical Chemistry (Web of Science Q1, издательство Elsevier) опубликована практическая реализация режима генерации мощности (био)сенсоров на основе берлинской лазури, в “Journal of Analytical Chemistry” (Web of Science Core Collection), переводная версия – в издании «Журнал аналитической химии» (РИНЦ). Результаты проекта представлены на 69ой Ежегодной конференции Международного электрохимического общества, VI Международной научно-практической конференции "Биотехнология: наука и практика". Студенты, выполняющие курсовые работы по тематике проекта, представили свои результаты на XXVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2019». 2.1. На основе микроконтроллера с платой расширения, обеспечивающей режим амперметра, изготовлен прототип электроанализатора, совместимый с (био)сенсорами, функционирующими в режиме генерации мощности. 2.2. Тестирование прототипа из 2.1., модифицированного беспроводным модулем с поддержкой Bluetooth 4.0 LE, проведено, данные в режиме реального времени успешно передаются на удаленное устройство на базе Android. 2.3. Проведена интеграция биосенсоров, функционирующих в режиме генерации мощности, и системы пассивного отбора пота с капилляром. Система была изготовлена методом экструзионной печати нитей полилактида, используемого в биоразлагаемых изделиях и медицинских имплантах. Для усиления капиллярных эффектов и эффективности отбора пота выходное отверстие потосборника снабдили тонкой тефлоновой трубкой с внутренним диаметром 1 мм. Полученную систему подключали к устройству из п. 2.1. и п. 2.2. и регистрировали сигнал в присутствии различных концентраций пероксида водорода. Токовый отклик биосенсора в режиме генерации мощности, интегрированного в капиллярную систему возрастал пропорционально концентрации перекиси, что говорит об успешной интеграции потосборника и биосенсора под управлением разрабатываемого электроанализатора. 2.4. Исследованы аналитические характеристики прототипа из п. 2.3.: чувствительность – 15±3 мА/(М*кв. см.), динамический диапазон определяемых концентраций – от 0.1 до 80 мМ. Операционная стабильность была определена для биосенсора перед интеграцией в капиллярную систему и составила 4 часа (сохранение не менее 90% первоначального отклика). Тем самым, прототип пригоден для анализа неразбавленного пота с точки зрения диапазона определяемых концентраций лактата, а также операционной стабильности, достаточной не только для краткосрочных спортивных тестов, но и длительных исследований. 2.5. При многократном введении фосфатного буфера (рН 6.0) в капиллярную систему прототип с интегрированным лактатным биосенсором сохранял фоновый сигнал, в то время как введение образца неразбавленного привело к увеличению токового сигнала и установлению нового стационарного значения тока из-за наличия лактата в образце. Полученная для значения стационарного тока концентрация лактата 11 мМ в пределах погрешности совпадает со значением, определенным альтернативным методом в проточно-инжекционном режиме, 13±3 мМ. Таким образом, прототипа применим для анализа неразбавленного пота человека. Проведены испытания прототипа из п. 2.3. в периодическом и длительном режиме тестирования добровольцев: прототип пригоден для мониторинга пота при кратковременных нагрузках (10-15 минут), а также при длительном применении (6 часов). 2.6. Проведена интеграция измерительного устройства из п. 2.3, системы отбора пота и биосенсоров в режиме генерации мощности. Изготовленный модифицированный прототип представляет собой компактное устройство с габаритами 30х50х15 мм весом менее 30 г и может передавать данные на смартфон под управлением Android в режиме реального времени. 2.7. Прототип из п. 2.6. апробирован участниками проекта в ходе вариабельной физической нагрузки на открытом воздухе (пробежка с различной интенсивностью). 2.8. Разработаны технические рекомендации по созданию носимых устройств, применимых для телемедицинских приложений и неинвазивной диагностики. По результатам п. 2.6. сформулированы требования по габаритам, массе, беспроводному протоколу передачи, режиму и точности регистрации токового сигнала, площади отбора пота, месту крепления. 2.9. По результатам исследований в рамках данного проекта опубликована статья в научном издании из топ-25% Web of Science (ChemElectroChem, издательство Wiley), посвященная корреляции изменений уровня лактата в поте и крови, выявленной в ходе ступенчатого нагрузочного теста спортсменов-велосипедистов. В отличие от противоречивых данных, встречающихся в литературе, как о наличии, так и об отсутствии корреляции абсолютных концентраций метаболита в поте и крови (включая лактат), представленный в статье подход полагается на изменение концентрации лактата, нежели на абсолютную концентрацию. Тем самым, данная работа призвана не только показать диагностическую ценность лактата в поте как маркера гипоксии, но и разрешить противоречия в поиске корреляций с учетом рассмотрения процедур отбора и изменений концентраций вместо абсолютных значений. В ходе выполнения проекта соисполнителем проекта Карповой Е.В. в МГУ имени М.В. Ломоносова – основном месте работы руководителя и соисполнителя – была защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности «02.00.02 – Аналитическая химия» на тему «Электрохимические (био)сенсоры на основе гексацианоферратов железа и никеля для медицинской диагностики». По результатам проекта руководителем представлен устный доклад на тему «Sweat Lactate Detection by Prussian Blue Based Biosensors in Power Generation Mode» на 70ом Ежегодном съезде Международного электрохимического общества в 2019 году в г. Дурбан (Южно-Африканская Республика).