Введение
Свободные аминокислоты присутствуют во всех биожидкостях и тканях человека, на их уровень влияет физическая активность, питание, заболевания и психологическое состояние. Концентрация аминокислот в поте связана с их уровнем в крови и может являться маркером для неинвазивного мониторинга физического состояния.
В статье представлена разработка мультимодального биочипа для измерения нескольких показателей, включая концентрацию фенилаланина (ФА) в поте и скорость потоотделения. На основе скорости секреции ФА разработана система оценки метаболического риска. Также рассчитана нормализованная концентрация ФА в поте, имеющая высокую корреляцию с уровнем ФА в сыворотке крови.
Благодаря использованию нескольких модулей и совместному анализу ряда показателей биочип является более функциональным в сравнении с аналогами и может использоваться для неинвазивного мониторинга уровня аминокислот в крови и коррекции диеты пациентов с фенилкетонурией.
Конструкция биочипа
Биочип включает в себя три функциональных модуля: (i) электрохимический электрод E-MIP, модифицированный электрокаталитически активными молекулярно импринтированными полимерами (МИП) для определения концентрации ФА в поте; (ii) микрофлюидный модуль для забора проб пота, обновления концентрации и регистрации скорости потоотделения; (iii) беспроводная система интеграции с мобильным приложением для отслеживания и анализа результатов.
Рисунок 1 — (а) Схематическое изображение биочипа на коже. (б) Фотография биочипа на лбу испытуемого во время выполнения физических упражнений
Электрод E-MIP
Разработанный электрод, модифицированный МИП с отпечатком ФА, имитирует функции биологических ферментов и позволяет проводить прямое электрохимическое определение концентрации аминокислоты с использованием дифференциальной импульсной вольтамперометрии (ДИВА). Электрод синтезирован методом электрополимеризации полианилина (PANI).
Микрофлюидный модуль
Микрофлюидный модуль из пяти слоев изготовлен с использованием метода лазерной резки и гравировки (рис. 2). Использовался лазер производства Inngu laser.
Слои модуля:
Рисунок 2 — Этапы изготовления микрофлюидного модуля
Эксплуатационные характеристики биодатчика
Биодатчик протестирован при выполнении испытуемыми физических упражнений. Наблюдается умеренно отрицательная корреляция между скоростью потоотделения и концентрацией ФА (рис. 4 (а)), что указывает на диффузный механизм распределения ФА в поте.
Рисунок 3 — (а) Конструкция микрофлюидного модуля послойно. (б) Принцип работы и поперечное сечение микрофлюидного модуля. (в) Фотографии модуля во время упражнений (справа) и микрофотография пота, текущего в микроканале (слева, увеличенное изображение)
Скорость секреции ФА может являться индикатором метаболического статуса с низкой межиндивидуальной изменчивостью. С опорой на полученные данные и предыдущие исследования выделено три группы по уровню метаболического риска, связанного с высокой потерей аминокислот во время физических упражнений:
Испытуемым в высокой группе риска рекомендован прием белковых добавок после тренировок для устранения потерь аминокислот.
Рисунок 4 — (а) Отрицательная корреляция между концентрацией ФА и скоростью потоотделения, а также зоны метаболического риска. Формула расчета скорости секреции ФА. (б) Корреляция скорости потоотделения и уровня ФА у испытуемых, а также зоны скорости секреции ФА
Для повышения корреляции между концентрацией ФА в поте и в сыворотке предложена нормализация концентрации ФА в поте путем умножения на индивидуальную стабилизированную скорость потоотделения во время упражнений. Таким образом, измерение скорости потоотделения для снижения межиндивидуальной изменчивости позволяет биодатчику точно оценивать уровень ФА в сыворотке, в отличие от аналогичных доступных датчиков.
Заключение
Сконструированный биочип объединяет микрофлюидный модуль для измерения скорости потоотделения и электрод для измерения концентрации ФА в поте. Два измеряемых параметра позволяют вычислить скорость секреции аминокислоты, определить уровень метаболического риска и оценить концентрацию ФА в сыворотке крови, что выделяет биочип среди существующих носимых датчиков аминокислот.
Используемое микрофлюидное устройство обеспечивает высокое временное разрешение биодатчика и изготовлено с использованием бюджетного масштабируемого метода лазерной гравировки. В перспективе разработанная методика может использоваться для удобного неинвазивного мониторинга состояния пациентов с фенилкетонурией и корректировки их питания.
Компания INSCIENCE является поставщиком решений для лазерной микрообработки и эксклюзивным дистрибьютором продукции Inngu laser на территории РФ
В статье описывается биочип, сочетающий электрод для определения концентрации фенилаланина и микрофлюидный модуль для регистрации скорости потоотделения, изготовленный с использованием лазера. Биочип используется для неинвазивного мониторинга состояния пациентов с метаболическими нарушениями.
В статье описана генерация сверхширокого плоского суперконтинуума (350-1750 нм) с одномодовым поперечным профилем в видимом диапазоне. Для накачки микроструктурированного оптического волокна используется лазер с длиной волны 1064 нм, вторая гармоника накачки генерируется непосредственно в волокне.
В статье приводится применение и основные параметры одночастотных лазеров. Сравниваются лазеры CNI серии MSL с известными европейскими и американскими производителями.
В статье описан метод генерации суперконтинуума, расширенного в видимый диапазон. За счет четырехволнового смешения накачка 1064 нм создает антистоксовы и стоксовы компоненты на 831 нм и 1478 нм. Фазовый синхронизм обеспечивается благодаря микроструктурированному мультимодальному волокну особой конструкции.
В статье описывается усовершенствование метода лазерно-водоструйной обработки: добавление коаксиально-кольцевой аргоновой струи, мгновенно очищающей отверстие от образующегося осадка. Таким образом сохраняется высокий объем абляции при создании глубоких отверстий в сложно обрабатываемых материалах.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3
