Устройство регистрации макромолекул при медицинской диагностике

Полезная модель относится к медицинской диагностике, в частности к устройству регистрации макромолекулярных зондов аналита с использованием биочипа, содержащего рабочую зону, на которой иммобилизованы зонды с олигонуклеотидами или белками, в состав которых входят фрагменты, комплементарные диагностируемым маркерам.
Известно устройство для исследования клеток с использованием биочипа (А.В. Шишкин, И.И. Шмырев, и др. «Иммунологические биочипы для исследования эритроцитов человека», «Биологические мембраны». - 2008. - №4. - С. 267-276), в котором на твердой подложке биочипа в тестовых участках (пятнах биочипа) иммобилизованы антитела, каждое из которых специфично к определенному клеточному поверхностному антигену. При этом биочип содержит несколько тестовых участков с антителами каждого вида, различающихся плотностью расположения иммобилизованных молекул (количеством молекул, иммобилизованных на единице площади поверхности подложки).
Недостатком данного устройства является то, что в предлагаемом способе нанесения на биочип большого числа тестовых участков с каждым антителом получается подложка с большой площадью чувствительных зон, что при проведении анализа требует повышенного расхода исследуемого аналита.
Известно устройство детекции макромолекул с использованием пьезокварцевого биосенсора, в котором в качестве чувствительного элемента использован пьезокварцевый резонатор (Пат. США № 4735906, 436/806; 324/711; 05.04.88). На модифицированной поверхности пьезокварцевого резонатора находятся реакционно-активные группы с ковалентно иммобилизационными макромолекулами и необходимым количеством слоев. Регистрацию макромолекул осуществляют по изменению резонансной частоты при изменении массы резонатора.
-12
Недостатком устройства является то, что его концентрационная чувствительность не превышает 10 M [Шумянцева В.В.].
Кроме того, пьезокварцевые резонаторы, относящиеся к электрогравитометрическим электронным элементам, очень чувствительны к внешним условиям среды (температура, влажность, электропроводность, интенсивность электромагнитного поля).
Недостатками способа модификации пьезокварцевого биосенсора (Пат. США № 4735906, 436/806; 324/711; 05.04.88) являются сложность и длительность модификации поверхности резонатора с образованием реакционно-активных групп для последующей ковалентной иммобилизации макромолекул, процесс которой также длителен и сложен. При химической обработке поверхности резонатора не исключен гидролиз альдегидных групп в водных растворах, что снижает стабильность резонатора.
Известно использование для регистрации макромолекул при медицинской диагностике масс-спектрометров с источником ионизации MALDI (Lewczuk Р., Esselmann H., Groemer T.W., Bibi M., Maler J.M., Steinacker P., Otto M., Kornhuber J., Wiltfang, J., Biol. Psychiatry. 2004, 55, 524-530; Landuyt В., Jaap Jansen J., Wildiers H., Goethals L, Boeck G.D., et al., J. Separation Science, 2003, 26, 619-623). При применении данного устройства в режиме SELDI используют стандартный SELDI метод, который позволяет аффинно биоспецифически вылавливать макромолекулы из раствора на поверхность биочипа с иммобилизованными молекулами, после чего проводить измерение масс выловленных макромолекул с помощью масс-спектрометра с источником ионизации.
Недостатками этого метода являются высокая возможность влияния на результат идентификации неспецифических фрагментов в многокомпонентной сыворотке и необходимость использования для количественных измерений специальных изотопно-меченых специфических фрагментов.
Для детекции и визуализации структуры макромолекулярных комплексов в анализе используется также атомно-силовой микроскоп и метод зондовой сканирующей микроскопии (RU 2004119864 А, опубл. 10.01.2006).
Недостаток использования этого метода - нет достоверной идентификации выловленных комплексов из-за возможности мешающего влияния артефактов от возможной загрязненности образца, что требует использования дополнительно метода идентификации макромолекулярных комплексов.
Известна система регистрации макромолекулярных маркеров заболеваний, включающая оптический компакт-диск, поверхность которого предварительно модифицирована с помощью азидных производных полем ковалентно иммобилизованных молекул, способных формировать специфические комплексы с макромолекулярными маркерами заболеваний, и устройство считывания лазерных компакт-дисков, например CD-ROM, DVD-ROM, отраженного с поверхности оптического диска сигнала, создаваемого лучом лазера (RU 2338199, опубл. 20.01.2008 г).
Данная система не обладает достаточной точностью регистрации макромолекул.
Техническая задача в разработке настоящей полезной модели состоит в том, чтобы создать конструкцию устройства, позволяющего повысить достоверность получаемых результатов регистрации макромолекул маркеров заболеваний при медицинской диагностике.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство регистрации макромолекул в биологической жидкости на базе полевого транзистора, включающее биочип на основе нанопроволочной структуры кремний на изоляторе, рабочая поверхность которой модифицирована слоем органофункционального силана, резервуар с биологической жидкостью и электронную систему измерения тока, протекающего через нанопроволочную структуру, отличающееся тем, что резервуар с отверстием для подачи биологической жидкости на наноструктуру биочипа содержит робот-раскапыватель кантилеверного, или капиллярного типа, или их комбинации, позволяющий сформировать монослой иммобилизованных зондовых макромолекул на рабочую поверхность биочипа.
Сущность полезной модели иллюстрируется на рис. 1, на котором представлена схема устройства, где 1 - биочип, 2 - система подачи аналита в резервуар, 3 - электронная система регистрации тока.
Устройство регистрации макромолекул работает следующим образом.
Биочип на основе нанопроволочной структуры кремний на изоляторе, рабочая поверхность которой модифицирована монослоем органофункционального силана с ковалентно иммобилизованными молекулярными зондами к диагностически значимым макромолекулам биологической жидкости помещается на дне резервуара. Именно с помощью роботов-раскапывателей исключительно на рабочую поверхность биочипа ковалентно иммобилизуется монослой макромолекул маркеров заболевания. В резервуар подается биологическая жидкость – аналит, в результате биоспецифического захвата диагностически значимых маркеров заболеваний из аналита иммобилизованными молекулярными зондами происходит формирование комплексов на поверхности биочипа, что приводит к изменению поверхностного заряда. Это изменение заряда приводит к изменению проводимости нанопроволочек биочипа. Электронная система измерения тока, проходящего через нанопроволочную систему биочипа, фиксирует изменение проводимости нанопроволочной системы, которая находится в зависимости от количества ковалентно иммобилизованных на поверхности биочипа макромолекул маркеров заболевания.
Использование в устройстве роботов-раскапывателей молекул позволяет равномерно распределять иммобилизуемые макромолекулы маркеров заболевания исключительно на рабочую поверхность нанопроволочной системы в виде монослоя, контролируемого атомно-силовым микроскопом (на схеме не показан, поскольку находится за пределами устройства). Применение роботов-раскапывателей молекул исключает слипание зон их нанесения и повышает чувствительность напроволочной системы к изменению ее электрической проводимости за счет формирования монослоя зондовых молекул.