Приборостроение для биологии и медицины. Рубрика в журнале - Научное приборостроение
"Орган-на-чипе" – материалы и методы изготовления (обзор)
Статья
В последние годы новые технологии изготовления микро- и наноразмерных структур существенно повлияли на прогресс в различных областях науки. Так, микрофлюидные технологии заняли нишу как инструмент для разнообразных применений, особенно в биоинженерных и биомедицинских исследованиях. Например, технологии микрофлюидики успешно используются при подготовке биологических образцов, в тканевой инженерии, в молекулярной диагностике и при скрининге лекарств и т.д. Помимо таких применений, эти технологии являются важным вспомогательным средством при моделировании различных органов и их свойств. Сочетание микрофлюидики и методов формирования клеточных 3D-струткур повлекло за собой создание нового направления "орган-на-чипе". Основная идея "орган-на-чипе" заключается в том, чтобы предоставить искусственный объект тестирования, имитирующий живой человеческий орган. Развитие микрофлюидных технологий помогает преодолеть разрыв между in vitro и in vivo, предлагая новые современные подходы к медицинским, биологическим и фармакологическим исследованиям Устройства "орган-на-чипе" могут представлять собой не только целый орган, но и имитировать отдельные процессы, протекающие в организме. Клетки выращиваются внутри камер и каналов для создания тканей или органов, чтобы имитировать их работу. Достичь полной функциональности можно за счет поддержания конкретных условий, обеспечивающих функционирование органа или ткани, таких как давление, скорость потока, рН, осмотическое давление, содержание питательных веществ, присутствие токсинов и других свойств. В обзоре приводятся данные по анализу публикационной активности исследователей в последнем десятилетии по тематике "орган-на-чипе" и родственной ей, индексируемых в библиометрической базе данных SCOPUS. Эти данные свидетельствуют не только о повышенном внимании, уделяемом данной тематике, но и о мультидисциплинарности этого направления. Помимо распределения публикаций по годам, представляет интерес сравнение публикационной активности представителей различных стран (лидеры – США, Китай и Южная Корея, почти по всем направлениям). В статье освещаются общие вопросы, касающиеся основных и вспомогательных технологий систем "орган-на-чипе", материалов и методов изготовления устройств и элементов этих систем, а также рассматриваются примеры некоторых устройств. Для получения адекватных результатов исследования при использовании систем "орган-на-чипе" необходимо создать максимально близкие к естественным условия для функционирования модельных систем, в том числе обеспечить требуемые температурные режимы; условия формирования напряжения сдвига в потоке, омывающем клетки, механического сжатия, циклической деформации или воздействия других физических сил; создать нужную среду для изучаемых объектов. Все это приводит к усложнению систем, необходимости применения различных материалов (а следовательно, и методов изготовления), датчиков и микро-электромеханических устройств, созданию многоэтапных алгоритмов исследования. Системы "орган-на-чипе" динамично развиваются, а затрачиваемые исследователями усилия позволяют получать впечатляющие результаты в виде новых знаний об организме.
Бесплатно
Алгоритмы дискриминантного анализа для классификации масс-спектров выдыхаемых газов
Статья научная
В работе рассматриваются алгоритмы дискриминантного анализа для классификации масс-спектров выдыхаемых газов. Показывается, что для вычисления коэффициентов дискриминантных функций могут быть использованы три алгоритма: 1) алгоритм, основанный на QR-разложении; 2) алгоритм, основанный на вычислении обобщенной корреляционной функции и 3) алгоритм, основанный на решении переопределенной системы линейных уравнений методом наименьших квадратов. Приводятся таблицы вероятностей принадлежности обрабатываемого масс-спектра к одной из двух групп: здоровых или больных людей. В работе показывается, что в качестве переменных для проведения классификации могут быть использованы как непосредственно амплитуды масс-спектральных пиков выдыхаемого газа, так и переменные, получающиеся в результате сокращения размерности обрабатываемых данных методом главных компонент. При этом показывается, что для оценки принадлежности к одной из указанных групп достаточно использовать первые две главные компоненты. Приводятся примеры апробации предлагаемых методов.
Бесплатно
Краткое сообщение
В работе предлагается способ измерения локальной концентрации N и локальной температуры Т магнитных наночастиц внутри живого организма при помощи магнитно-резонансного томографа, работающего при двух индукциях магнитного поля В 1 ˃ 3k T и В 2 1 / P , Т = РВ 2 / (k ln( М 1 / М 2)) (k - постоянная Больцмана; Р - магнитный момент наночастицы; М 2, М 1 - намагниченности, измеренные при индукциях В 2 и В 1).
Бесплатно
Граничные потенциалы биоколлоидных частиц: количественный анализ
Статья научная
В статье анализируется структура периферической области коллоидной частицы и, в особенности, частиц биологического происхождения. Предложено выражение для потенциальной функции частицы, неидентичной больцмановской силовой функции, описывающей потенциал у поверхности при взаимодействии заряженной частицы с электролитом. Выражение основано на анализе кулоновского заряд-зарядного (кулоновского) и заряд-дипольного взаимодействий электролита с заряженной поверхностью. Предложено использовать для оценки толщины двойного электрического слоя параметр (длину) Ландау, характеризующий термодинамическое равновесие на поверхности частицы. Предложены два способа вычисления электрокинетического радиуса коллоидных частиц. Предложены соотношения на основе дебаевского радиуса и соответственно концентрации электролита, показывающие связь поверхностного и электрокинетического потенциалов частиц. Выполнены расчеты, показывающие относительную точность различных подходов.
Бесплатно
Действие электрического поля на клеточные суспензии по данным потенциометрических измерений
Статья научная
В статье представлены результаты измерений, показывающие, что прямая потенциометрия с использованием липофильных индикаторных ионов (тетрафенилфосфоний) может быть использована как чувствительный инструмент для исследования энергетического состояния клеток. Показано, что воздействие микросекундных электрических импульсов высокой напряженности на аэробные клетки B.subtilis изменяет потенциальный профиль клеточной периферии, т.е. прежде всего трансмембранный и поверхностный потенциалы клеток. С физической точки зрения анализ воздействия основан на механизме поляризации клеток как индуцированном дрейфе свободного ионного заряда, который соответствует экстремально большим значениям - диэлектрической проницаемости и поглощенной энергии. Определены значения напряженности поля и времени воздействия, обеспечивающие инактивацию клеток.
Бесплатно
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СЕНСОРНАЯ СИСТЕМА РАНЖИРОВАНИЯ ИОННОГО СОСТАВА ГРУДНОГО МОЛОКА
Статья научная
Разработана и исследована интеллектуальная сенсорная система, позволяющая проводить квалитативное медицинское ранжирование грудного молока и молочной продукции. Использованы электрохимические сенсоры, обладающие чувствительностью к основным значимым компонентам исследуемой биологической среды. Установлено, что "цифровые образы" грудного молока женщин, перенесших заболевания, значительно отличаются от таковых для группы здоровых женщин. Применен метод главных компонент для ранжирования грудного и коровьего молока, выявлены группы биологических сред, схожие по своим свойствам. Анализируя результаты исследований, можно говорить об эффективности применения разрабатываемой методики для медико-биологических исследований.
Бесплатно
Статья научная
Целью исследования было создание программно-аппаратного метода контроля качества ферментированной молочной продукции с возможностью определения степени соответствия заданному эталону. Произведен масс-спектрометрический анализ состава газовой среды трех групп образцов фермерской и промышленной ферментированной молочной продукции в режиме реального времени. В 1-ю группу входили йогурты от индивидуальных фермерских хозяйств из коровьего и козьего молока. Группа 2 состояла из образцов иной ферментированной продукции от индивидуальных фермерских хозяйств (кефиры, йогурты, сметана). Группа 3 — образцы промышленных йогуртов из коровьего молока. Всего было проанализировано 19 образцов ферментированной молочной продукции. Анализ состава проб производился на малогабаритном квадрупольном масс-спектрометре МС7-200 с прямым вводом пробы при атмосферном давлении. Пробы отбирались в специальным образом подготовленные медицинские шприцы емкостью 20 мл. Применение методов статистического анализа позволяет выделить группы схожих по своим свойствам образцов и определять принадлежность продукции к промышленному или штучному методу изготовления. Была показана перспективность использования масс-спектрометрических методик с применением методов анализа многомерных данных в качестве универсальных технологий для анализа пищевых продуктов.
Бесплатно
Статья научная
В работе освещен современный спектральный прибор для измерений оптических параметров жидкофазных твердотельных материалов. Показано, что разработка данных приборов перспективна для оптического приборостроения и науки в целом, т.к. эти приборы информативные, высокоточные и извлекают достоверную информацию. В работе приведены внешний вид, структурная схема и осветительная система спектрометра. Получены спектральные зависимости коэффициента пропускания от длины волны в видимом диапазоне спектра дезинфицирующих средств Лайк, Гранд, Аквалайт (1% растворы). Для анализа исследуемых веществ применялись специализированные кюветы с рабочей длиной от 0.1 до 0.5 мм и оптическими площадками из лейкосапфира. Кюветы имели толщину 0.05 мм. Спектрометр обеспечивал измерение коэффициента пропускания дезинфектантов в диапазоне длин волн 380–760 нм с погрешностью не хуже ΔТ ≤ 2%.
Бесплатно
Статья научная
На полимерных микрофлюидных устройствах из поликарбоната и полипропилена реализована количественная полимеразная цепная реакция в реальном времени (ПЦР-РВ). Пороговый цикл определяется на основе точки перегиба функции логистического роста первого порядка, достоверно аппроксимирующей кривую ПЦР при отсутствии мешающих факторов, например наличия пузырей в реакционной камере. Использование статистических критериев (обобщенный критерий Стьюдента, однофакторный дисперсионный анализ) выявило незначимость влияния типа полимера на оценку положения порогового цикла при выбранном ранее алгоритме его поиска. При применении альтернативного алгоритма нахождения порогового цикла на основе построения касательной к кинетической кривой в ряде случаев наблюдается значимое влияние типа полимера на оценку положения порогового цикла и, как следствие, на результат количественного анализа. Предложены и обсуждены алгоритмы обнаружения пузырей в реакционной камере на основе выявления разладки в последовательности измерений, связанные как с оценками параметров аппроксимирующей зависимости, так и с характеристиками временнóго ряда, сформированного погрешностями аппроксимации.
Бесплатно
Статья научная
Концентрация альфа-2-макроглобулина (α2-MG) в сыворотке может значительно варьироваться при ряде заболеваний, поэтому количественное определение этого белка используется в диагностике. Рутинные иммунологические или ферментативные методы определения концентрации α2-MG в сыворотке довольно сложны. Методы требуют специфических антител или измерения скорости гидролиза конкретных субстратов и не отличают свободную форму α2-MG от связанной. Мы предлагаем новый масс-спектрометрический подход для идентификации и количественного определения некоторых биомаркеров сыворотки крови на основе структурно-функциональных характеристик взаимодействия α2-MG с трипсином, характеризующегося отщеплением пептида VGFYESDVMGR. Была разработана методика изотопного обмена (18О) для приготовления внутреннего стандарта, включая прямой изотопный обмен в сыворотке крови. Количественный потенциал предлагаемой методики превращает масс-спектрометрию (MALDI) в подходящий и эффективный инструмент для диагностики воспалительных процессов...
Бесплатно
Статья научная
В работе изучаются возможности применения газового масс-спектрометра в составе диагностического комплекса, позволяющего оценить эффективность динамических постуральных воздействий с использованием поворотного (механургического) стола. Анализ получаемых при этом данных о динамике компонентов выдыхаемого воздуха пациентов позволяет существенно дополнить их индивидуальную диагностическую карту.
Бесплатно
Статья научная
Впервые изучен с помощью квадрупольного масс-спектрометра количественный и качественный состав летучих органических соединений (ЛОС), выделяемых штаммами различных видов энтомопатогенных грибов (ЭГ) рода Lecanicillium, применяемых в качестве альтернативы химическим пестицидам для защиты растений от вредителей. Основными обнаруженными компонентами газовой фазы над мицелием ЭГ на 10-й день роста на агаризованной среде Чапека были диоксид углерода (5–20%), кислород (0.1–15%), ацетон (0.2–12 ppm), пентан (до 0.5 ppm), уксусная кислота (до 0.15 ppm). Ацетон и пентан были обнаружены в составе ЛОС всех изученных штаммов, уксусная кислота — у 5 штаммов, принадлежащих к разным видам, у других штаммов она появлялась только через больший промежуток времени или полностью отсутствовала. Среди ЛОС некоторых штаммов были обнаружены в небольших количествах такие вещества, как гексилацетат, сернистый газ. Эти вещества могут отвечать за патогенные и репеллентные свойства изученных грибов в отношении фитофагов.
Бесплатно
Статья научная
В ходе реализации проекта создан макет диагностической оптической системы неинвазивного контроля кислородного обеспечения тканей человека, основанный на многоканальном оптическом анализаторе спектров с рабочими длинами волн в диапазоне 450–650 нм. В результате экспериментальных исследований было показано, что каждый испытуемый имеет свой индивидуальный, воспроизводимый "образ" кислородного статуса. Математический анализ полученных "образов" кислородного состояния тканей испытуемых позволил выделить группы испытуемых с различными компенсаторно-приспособительными реакциями на функциональную нагрузку. Результаты исследования подтверждают эффективность предложенного метода оценки кислородного обеспечения тканей человека и перспективы его использования в практической медицине.
Бесплатно
Методы снижения помех при проектировании оптической системы коагулометра
Статья научная
Новейшие стандарты лабораторной диагностики показателей гемостаза предполагают исследование микропроб — это десятки микролитров, однако анализ столь малых объемов является сложной задачей. Необходимо свести к минимуму помехи, связанные с не только электронной частью, но и с оптическим узлом. В статье предлагаются некоторые способы снижения помех при проектировании оптической системы коагулометров. Представлены условия возникновения этих помех с точки зрения физики и оптики. Описана методика определения оптимальной длины волны для проведения анализов на гемостаз, даны рекомендации по выбору источников излучения и фотодатчиков. Предложена конструкция термостатируемой плиты и измерительных каналов. Проведен эксперимент, который наглядно показывает эффективность предложенных способов снижения помех. Описано влияние различных факторов и особенностей конструкции на полезный выходной сигнал.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлены результаты исследований по постановке конкурентного иммунного анализа на пористом стекле SBS-МАП (средний размер пор 490 нм, пористость 50 %) и в микрофлюидном устройстве с интегрированным сенсорным элементом. Продемонстрирована возможность обнаружения инсулина в диапазоне концентраций (2.9∙10 -7÷2.3∙10 -6) М в 600 мкл пробы на сенсорном элементе и в 40 мкл пробы в микрофлюидном устройстве с интегрированным сенсорным элементом.
Бесплатно
Статья научная
Предложен способ модификации мишени для МАLDI-МS-анализа, позволяющий селективно выделять аналиты из биологических образцов непосредственно на поверхности мишени, как альтернатива классическим методам. Для модификации мишени суспензию металл-аффинного сорбента на основе оксида железа(III) в 50% водно-метанольном растворе электрораспыляли в бескапельном режиме c динамическим делением потока жидкости при атмосферном давлении в нормальных условиях. МАLDI-мишень выступала в качестве противоэлектрода. На МАLDI-мишень наносился слой сорбента в виде пятна, частицы которого в дальнейшем устойчивы к воздействию растворителей. На модифицированной МАLDI-мишени проводилось металл-аффинное обогащение фосфорилированного пептида с аминокислотной последовательностью SSNGHV(pY)EKLSSI из образца триптического гидролизата глобина человека. МАLDI-масс-спектр записывали с пятна сорбента. Такая методика создана в качестве альтернативы трудоемкой пробоподготовке биопроб и позволяет ограничиться минимальными объемами образца и растворителей.
Бесплатно
Неинвазивный масс-спектрометрический метод измерения чрезкожного выделения CO2
Статья научная
Проведено исследование возможностей применения масс-спектрометра с мембранным интерфейсом для неинвазивного измерения чрезкожного выделения CO2 человека. В результате разработана методика чрезкожных измерений на уровне верхней трети предплечья верхних конечностей, проведен анализ воспроизводимости результатов. Выполнена калибровка измерительной аппаратуры и проведены опытные клинические измерения. Полученные результаты проанализированы и им дана предметная интерпретация. Разработанный метод может быть рекомендован к внедрению в клиническую практику.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы является выявление реальных возможностей метода эллипсометрии для исследования плазмы крови в целях диагностики хронического панкреатита. При этом плазма используется в виде жидкой фазы. Эксперимент, проведенный с использованием спектрального эллипсометра на образцах плазмы крови больных хроническим панкреатитом, привел к важным результатам. Прежде всего наблюдается существенный разброс поляризационных углов Δ и Ψ по образцам плазмы при заданной длине волны, что указывает на хорошие возможности метода в вопросах диагностики хронического панкреатита на разных стадиях. Кроме того, поведение этих углов в спектральном диапазоне прибора со всей очевидностью указывает на наличие поверхностного слоя на образцах плазмы. Толщина и оптические параметры этого слоя зависят от выраженности заболевания. Метод эллипсометрии, обладающий сверхчувствительностью к изменению состояния поверхности, реагирует на это заметным изменением измеряемых поляризационных углов Δ и Ψ, значения которых, очевидно, не зависят от выбора модели отражающей поверхности. В проводимой работе на первом этапе используется модель однородной среды. В этом случае мы имеем дело с эффективным показателем преломления n ef плазмы крови, поведение которого также связано с выраженностью заболевания. Обработка результатов эллипсометрических измерений проведена (относительно параметров Δ, Ψ и n ef) с помощью статистического метода полного факторного эксперимента. В качестве основных факторов X 1, X 2, X 3 рассмотрены такие признаки хронического панкреатита, как фиброз, псевдокисты и кальцинаты. При этом установлено, что статистически значимыми для рассмотренной группы больных являются сочетания факторов X 1X 3 и X 1X 2X 3. Это означает, что наибольшее влияние на оптические параметры, определяемые с помощью метода эллипсометрии на образцах плазмы крови, оказывает одновременное действие факторов Х 1 и Х 3 (фиброз + кальцинаты), а также одновременное действие всех трех факторов (фиброз + псевдокисты + кальцинаты).
Бесплатно
ОСОБЕННОСТИ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ ДЕТЕКЦИИ БЕТА-АМИЛОИДНЫХ ПЕПТИДОВ (ПЕПТИДОВ АЛЬЦГЕЙМЕРА)
Статья научная
Масс-спектрометрия в сочетании с использованием изотопно-меченных стандартов является одним из популярных методов количественного измерения концентрации бета-амилоидов в биологических средах. Данная статья посвящена предупреждению типичных систематических ошибок таких измерений, возникающих вследствие пренебрежения возможностью превращения бета-амилоидов в денатурированную форму, которая дает в масс-спектрах сигналы в 3 раза более интенсивные, чем нативная форма. Степень этой денатурации определялась по способности нативной формы образовывать комплекс с α-2-макроглобулином, чего денатурированная форма лишена. Показано, что денатурация может происходить при нагревании в кислой среде или при использовании диметилсульфоксида в качестве растворителя. Ошибка измерения возникает, когда изотопно-меченный стандарт и аналит относятся к разным формам. Предложены рекомендации для преодоления систематических ошибок количественного анализа этих соединений посредством принудительной денатурации смеси аналита со стандартом перед анализом.
Бесплатно
Статья научная
Предложен неинвазивный метод анализа кислородного обеспечения тканей человека с применением методов математической обработки многомерных данных, имеющий важное диагностическое значение. В результате экспериментальных исследований с участием 10 испытуемых при помощи неинвазивной оптической обучаемой диагностической системы были проведены измерения с целью получения массива информации в условных единицах многоканального оптического анализатора видимого диапазона спектров. Полученные результаты математической обработки экспериментальных данных показывают, что предложенная методика является эффективной и может найти применение в практической медико-биологической экспресс-диагностике.
Бесплатно
