{"id":1339,"date":"2022-03-04T08:29:13","date_gmt":"2022-03-04T06:29:13","guid":{"rendered":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/?p=1339"},"modified":"2022-03-04T08:30:17","modified_gmt":"2022-03-04T06:30:17","slug":"biosensoritest-ja-kiirtestidest","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/biosensoritest-ja-kiirtestidest\/","title":{"rendered":"Biosensoritest ja kiirtestidest"},"content":{"rendered":"\n

Biosensoritega puutusin esimest korda kokku \u00fcle k\u00fcmne aasta tagasi, kui Tartu \u00dclikooli keemia instituudi tudengid soovisid abi, et kultiveerida spetsiifilisi baktereid, mille (terveid) rakke biosensorite valmistamisel kasutada saaks (Kibena jt 2013). Huvi selle teema vastu tekkis taas 2017. aastal, mil otsustasin astuda keemia instituuti doktori\u00f5ppesse, et seal just biosensoritega tegelema asuda. Et oma bioloogilist teaduspagasit kasutada, keskendusin bakterite \u2013 t\u00e4psemalt Escherichia coli (tavalise soolekepikese) \u2013 tuvastamisele biosensori abil. Suur oli lootus, et sellise p\u00f5hjalikult uuritud mudelorganismi valik v\u00f5iks tagada laialdased baasteadmised ja m\u00f5ningase eelneva kogemuse. Hiljem muidugi selgus, et eeldused end paraku ei \u00f5igustanud \u2013 uurimist\u00f6\u00f6 pigem p\u00fcstitas uusi k\u00fcsimusi kui aitas lahendada vanu (J\u00f5gi jt 2020).<\/p>\n\n\n\n

Vajalikud teadmised kolmes valdkonnas<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Enne kui harutame lahti biosensori t\u00f6\u00f6p\u00f5him\u00f5tte, tuleb mainida, et tegemist on interdistsiplinaarse teadusega, mis on samal ajal selle ala tugevus kui ka n\u00f5rkus. P\u00f5hiliselt haarab biosensori arendus kolme teadusvaldkonda \u2013 bioloogiat, keemiat ja f\u00fc\u00fcsikat. Hea saab olla t\u00f6\u00f6 tulemus siis, kui sinna \u00f5nnestub kaasata erinevate valdkondade spetsialiste, kuid tavaliselt kiputakse j\u00e4\u00e4ma \u201eoma liistude juurde\u201c \u2013 publikatsioonide autorid on reeglina ikkagi \u00fche valdkonna esindajad. Eristada saab seega bioloogide, keemikute ja f\u00fc\u00fcsikute biosensoreid. Vastavalt autoritele on alati k\u00f5ige paremini lahendatud oma erialaga seotud probleemid.<\/p>\n\n\n\n

Tavadefinitsiooni j\u00e4rgi on biosensor anal\u00fc\u00fctiline seade, mis kombineerib bioloogilist komponenti ja f\u00fc\u00fcsikalis-keemilist detektorit. Kui seda n\u00fc\u00fcd arusaadavamasse keelde t\u00f5lkida, on tegemist anal\u00fc\u00fctilise m\u00f5\u00f5teseadmega, mis m\u00e4\u00e4rab mingi anal\u00fc\u00fcdi (organismi, kemikaali jne) kontsentratsiooni v\u00f5i olemasolu.<\/p>\n\n\n\n

Biosensori bioloogiline komponent on tavaliselt sensori v\u00f5tmekomponent \u2013 see osa, mis tunneb \u00e4ra spetsiifiliselt m\u00e4\u00e4ratava \u00fchendi. Sageli on see n\u00e4iteks antikeha. Biosensori teine osa on detektor, mis t\u00f6\u00f6tab mingi f\u00fc\u00fcsikalise v\u00f5i keemilise protsessi abil ning tekitab m\u00f5\u00f5detava signaali vastavalt bioloogilise komponendi ja anal\u00fc\u00fcsitava \u00fchendi interaktsioonidele. K\u00f5lab juba peaaegu arusaadavalt…<\/p>\n\n\n\n

Ajaloolises plaanis pole biosensor mingi eriti uudne leiutis \u2013 biosensorite avastajaks peetakse Leland C. Clark jr-i, kes leiutas hapnikuanduri 1956. aastal. Esimene kommertsiaalne biosensor vere gl\u00fckoosi taseme m\u00f5\u00f5tmiseks p\u00e4rineb 1975. aastast (Naresh ja Lee 2021). Vaatamata pikale ajaloole on biosensorid j\u00e4\u00e4nud laiema t\u00e4helepanuta ning pigem rakendusliku valdkonna alla liigituvaks teadusharuks.<\/p>\n\n\n\n

\"Kiirtesti
Kiirtesti positiivse tulemuse tekkeks on vaja kolme erinevat reaktsiooni: reaktsioon viiruse antigeen-antikeha vahel, viiruse antikeha-hiire vastase konjugeeritud antikeha vaheline reaktsioon ning konjugeeritud antikeha k\u00fcljes oleva peroks\u00fcdaasi poolt l\u00e4biviidav keemiline reaktsioon, kui oks\u00fcdeerimise tagaj\u00e4rjel tekib v\u00e4rvusreaktsioon.<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Kui \u00fcritaks n\u00fc\u00fcd \u00f5ige biosensori t\u00f6\u00f6p\u00f5him\u00f5tet kirjeldada? Biosensori bioloogiline komponent tagab spetsiifilisuse, et me m\u00f5\u00f5daks ikka \u00f5iget molekuli v\u00f5i organismi. \u201cKeemia keeles\u201d peaks m\u00f5\u00f5detava anal\u00fc\u00fcdi ja bioloogilise komponendi omavahelise tugeva (ehk spetsiifilise) keemilise reaktsiooni ehk seostumise dissotsiatsioonikonstandi Kd v\u00e4\u00e4rtus olema alla 10-7. Lihtsustatuna t\u00e4hendab see seda, et kui uuritavas proovis leidub ka \u00fcksikuid biosensori m\u00f5\u00f5detavaid molekule, siis enam need selle bio-\u00e4ratundmiskomponendi k\u00fcljest lahti ei tule. V\u00f5i noh, teaduslikkuse huvides \u2013 lahti v\u00f5ib tulla \u00fcks molekul k\u00fcmnest miljonist… Sellise spetsiifilise reaktsiooni tekitamisel on erinevaid mehhanisme, kuid tavaliselt kasutatakse kas m\u00f5\u00f5detavale anal\u00fc\u00fcdile spetsiifilist ens\u00fc\u00fcmi (n\u00e4iteks gl\u00fckoosi oks\u00fcdaasi vere gl\u00fckoositaseme hindamisel) v\u00f5i antikeha (bakterite, viiruste v\u00f5i keemiliste \u00fchendite tuvastamisel).<\/p>\n\n\n\n

\u00dcldpilt on justkui arusaadav, kuid kui detailidesse laskuda, siis muutuvad asjad ruttu v\u00e4ga keeruliseks. Kui kasutada ens\u00fc\u00fcmi, tekivad n\u00e4iteks sellised k\u00fcsimused: kas seda ens\u00fc\u00fcmi suudetakse immobiliseerida (kinnitada biosensorile v\u00f5i kuskile maatriksisse \u2013 mingi anal\u00fc\u00fcti l\u00e4bilaskva kihi sisse \u201epeita\u201c), kui pikk on selle ens\u00fc\u00fcmi eluiga sensoris jne. Antikehadega pole lood palju paremad, nimelt jaotuvad kasutatavad antikehad kaheks \u2013 pol\u00fcklonaalsed antikehad ja mono – klonaalsed antikehad. Viimased neist on sellised, mis tunnevad uuritaval molekulil \u00e4ra alati \u00fche konkreetse piirkonna. Pol\u00fcklonaalsed antikehad tuvastavad seevastu uuritava molekuli mitmeid eri piirkondi, tegemist on sisuliselt erinevate antikehade seguga. Ideaaljuhul tuleks kasutada monoklonaalseid antikehi \u2013 paraku seab siin nende k\u00f5rge hind piirid ette. Enamasti kasutatakse pol\u00fcklonaalseid antikehi, mille hind on palju odavam ning signaal tugevam kui monoklonaalsetel antikehadel. Spetsiifilisus ehk see, kas tuntakse \u00e4ra \u00f5ige molekul v\u00f5i organism, v\u00f5ib see-eest madalam olla.<\/p>\n\n\n\n

Odavamaid ja v\u00e4iksemaid analooge antikehadele on otsitud kaua \u2013 1990. aastal leiutati sellised molekulid nagu aptameerid (Ellington ja Szostak 1990). Aptameerid on valdavalt l\u00fchikestest nukleotiidsetest j\u00e4rjestustest (20-80 aluspaari) koosnevad molekulid, mis sarnaselt antikehadele tunnevad erinevaid molekule spetsiifiliselt \u00e4ra. Kui antikehade tootmine vajab elusorganisme v\u00f5i v\u00e4hemalt elusrakkude kasvatamist, siis aptameeride selektsioon ja tootmine on oluliselt lihtsam ja odavam. Paraku kipuvad aptameerid antikehadele oma headuses ehk spetsiifilisuses alla j\u00e4\u00e4ma. Sel aastal ilmunud artiklis (Matsunaga jt 2021) aga kirjeldati uuel moel muudetud nukleotiide \u2013 nii-\u00f6elda viiendat ja kuuendat nukleotiidi (lisaks teadaolevale neljale), mis v\u00f5imaldasid biosensori spetsiifilisust nihutada antikehadega samale tasemele.<\/p>\n\n\n\n

Biosensori detektorosa v\u00f5ib varieeruda alates suhteliselt lihtsast kiirtesti keemilisest v\u00e4rvusreaktsioonist, mis anal\u00fc\u00fcdi \u00e4ratundmisel bioloogilise komponendiga tekib, kuni keeruka impedantsi m\u00f5\u00f5tmisel baseeruva detektorini. P\u00f5him\u00f5tteliselt on impedantsi puhul tegemist sellise elektrokeemilise terminiga nagu n\u00e4ivtakistus ehk kui uuritaval anal\u00fc\u00fcdil tekib vastastikm\u00f5ju detektorile seotud antikehaga, siis m\u00f5\u00f5detakse elektrilise takistuse (mahtuvuse) muutust. Nende kahe detekteerimisp\u00f5him\u00f5tte vahele mahub v\u00e4ga palju erinevaid detektorit\u00fc\u00fcpe. Mitmed, n\u00e4iteks nanoosakestel baseeruvad biosensorid suudavad t\u00f6\u00f6tada ka tavap\u00e4rase bioloogilise komponendita.<\/p>\n\n\n\n

K\u00f5ik biosensorid ei ole kiirtestid<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Tihti kiputakse biosensoreid segi ajama kiirtestidega \u2013 enamik kiirteste t\u00f6\u00f6tab k\u00fcll biosensori p\u00f5him\u00f5ttel, kuid kindlasti pole k\u00f5ik biosensorid kiirtestid. Kiirtesti kompaktne suurus ja lihtne k\u00e4sitsetavus loovad kasutajale petliku tunde, et tegemist on lihtsa anal\u00fc\u00fcsiseadmega. Meetodi loogika v\u00f5ib paraku tihti \u00e4raspidine olla \u2013 kui mingit anal\u00fc\u00fcsi on lihtne l\u00e4bi viia, siis anal\u00fc\u00fcsi tegelik t\u00f6\u00f6p\u00f5him\u00f5te on lausa peadmurdev; keerulise k\u00e4iguga anal\u00fc\u00fcsid v\u00f5ivad aga olemuselt \u00fcsna lihtsaks osutuda. Kiirtesti puhul on reaktsioonide l\u00e4biviimiseks vajalikud komponendid tavaliselt seotud nitrotselluloosiribale ning erinevad reaktsioonid hakkavad toimuma siis, kui sellele proovilahust peale kanda.<\/p>\n\n\n\n

N\u00fc\u00fcd proovingi kirjeldada \u00fche suhteliselt lihtsa, A- ja B-grippi tuvastava kiirtesti (Zhang jt 2019) p\u00f5him\u00f5tet. Nitrotselluloosiribale kantakse (\u201etr\u00fckitakse\u201c) kolme erinevat antikeha \u2013 hiires toodetud A- ja B-gripi antikehad ning kontrolliks kitse hiirevastased antikehad. HRP-ga (horse radish peroxidase, maakeeli m\u00e4dar\u00f5ika peroks\u00fcdaas \u2013 lagundab H2O2) konjugeeritud hiirevastaste antikehadega immutatud konjugaadipadjake asetub enne peale kantud antikehasid. Proovi \u201cpealekandmispadjake\u201d immutatakse \u201eilmutuskemikaalide\u201c uureaperoksiidi, dekstraansulfaadi, 3,3\u00b4, 5,5\u00b4-tetramet\u00fc\u00fclbensidiini (TMB) ja tsitraatpuhvriga.<\/p>\n\n\n\n

Mis juhtub, kui proovi kiirtestile pipeteerida? Proov imbub proovipadjakesse ja liigub kapillaarj\u00f5udude toimel piki nitrotselluloosriba koos seal asuvate kemikaalidega edasi. Kui proov j\u00f5uab konjugaadipadjakeseni, lisandub reaktsioonisegusse hiirevastaste antikehadega konjugeeritud HRP. J\u00e4rgmisena j\u00f5uab kogu reaktsioonisegu (koos viirusosakestega) viirusspetsiifiliste antikehadeni. P\u00e4rast viirusosakeste kinnitumist spetsiifilistele antikehadele algab v\u00f5imendav keemiline reaktsioon \u2013 HRP-ga konjugeeritud hiirevastased antikehad tunnevad \u00e4ra antikeha-viirus kompleksi, peroks\u00fcdaas hakkab oks\u00fcdeerima 3,3\u00b4, 5,5`-tetramet\u00fc\u00fclbensidiini (TMB) ning moodustub v\u00e4rviline lahustumatu produkt, mis tegelikult markeerib ja v\u00f5imendab keemiliselt biosensori antikeha ja viirusosakese interaktsiooni (tekib v\u00e4rviline triip, mis t\u00e4histab positiivset v\u00f5i kontrollreaktsiooni).<\/p>\n\n\n\n

Kui n\u00fc\u00fcd toimuvaid keemilisi reaktsioone kokku lugema hakata, siis kiirtesti positiivse tulemuse tekkeks on vaja kolme erinevat reaktsiooni: viiruse antigeeni-antikeha ning viiruse antikeha ja hiirevastase konjugeeritud antikeha vahelist reaktsiooni; kolmandat reaktsiooni p\u00f5hjustab konjugeeritud antikeha k\u00fcljes olev peroks\u00fcdaas, oks\u00fcdeerimise tagaj\u00e4rjel tekib v\u00e4rvusreaktsioon. Viimase reaktsiooni v\u00f5imendav efekt seisneb selles, et kui antikehade vahelised reaktsioonid toimuvad reeglina vahekorras 1:1-le, siis \u00fcks peroks\u00fcdaas suudab lagundada suhteliselt suure hulga peroksiidimolekule, mist\u00f5ttu oks\u00fcdeeritakse suur hulk TMB-molekule ning mis t\u00e4hendab, et kiirtest pruugib ka v\u00e4heste viirusosakeste puhul anda positiivse tulemuse.<\/p>\n\n\n\n

Kokkuv\u00f5tteks v\u00f5ib \u00f6elda, et lihtsa nimetuse \u201ebiosensor\u201c taga peidab end suur hulk v\u00e4ga erineva keerukuse ja anal\u00fc\u00fcsiv\u00f5imekusega seadmeid alates kiirtestist (mis ei ole sugugi nii lihtne kui paistab) kuni tehniliselt komplitseeritud anal\u00fc\u00fcsiseadmeteni.<\/p>\n\n\n\n

Viited<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Ellington, Andrew D, and Jack W Szostak. 1990. \u201cIn Vitro Selection of RNA Molecules That Bind Specific Ligands.\u201d Nature 346 (6287): 818\u201322. https:\/\/doi.org\/10.1038\/346818a0.<\/p>\n\n\n\n

J\u00f5gi, Eerik, Ingrid V\u00e4ling, and Toonika Rinken. 2020. \u201cAssessment of Bathing Water Quality with an E. Coli Immunosensor.\u201d International Journal of Environmental Analytical Chemistry. https:\/\/ doi.org\/10.1080\/03067319.2020.1786549.<\/p>\n\n\n\n

Kibena, Elo, Merlin Raud, Eerik J\u00f5gi, and Timo Kikas. 2013. \u201cSemi-Specific Microbacterium Phyllosphaerae-Based Microbial Sensor for Biochemical Oxygen Demand Measurements in Dairy Wastewater.\u201d Environmental Science and Pollution Research International 20 (4): 2492\u201398. https:\/\/doi.org\/10.1007\/s11356-012-1166-8.<\/p>\n\n\n\n

Matsunaga, Ken-ichiro, Michiko Kimoto, Vanessa Weixun Lim, Hui Pen Tan, Yu Qian Wong, William Sun, Shawn Vasoo, Yee Sin Leo, and Ichiro Hirao. 2021. \u201cHigh-Affinity Five\/Six-Letter DNA Aptamers with Superior Specificity Enabling the Detection of Dengue NS1 Protein Variants beyond the Serotype Identification.\u201d Nucleic Acids Research, June. https:\/\/doi.org\/10.1093\/nar\/gkab515.<\/p>\n\n\n\n

Naresh, Varnakavi., and Nohyun Lee. 2021. \u201cA Review on Biosensors and Recent Development of Nanostructured Materials-Enabled Biosensors.\u201d Sensors . https:\/\/doi.org\/10.3390\/s21041109.<\/p>\n\n\n\n

Zhang, Jing, Xun Gui, Qingbing Zheng, Yixin Chen, Shengxiang Ge, Jun Zhang, and Ningshao Xia. 2019. \u201cAn HRP-Labeled Lateral Flow Immunoassay for Rapid Simultaneous Detection and Differentiation of Influenza A and B Viruses.\u201d Journal of Medical Virology 91 (3): 503\u20137. https:\/\/doi.org\/https:\/\/doi.org\/10.1002\/jmv.25322.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Biosensoritega puutusin esimest korda kokku \u00fcle k\u00fcmne aasta tagasi, kui Tartu \u00dclikooli keemia instituudi tudengid soovisid abi, et kultiveerida spetsiifilisi baktereid, mille (terveid) rakke biosensorite valmistamisel kasutada saaks (Kibena jt 2013). Huvi selle teema vastu tekkis taas 2017. aastal, mil otsustasin astuda keemia instituuti doktori\u00f5ppesse, et seal just biosensoritega tegelema asuda. Et oma bioloogilist teaduspagasit […]<\/p>\n","protected":false},"author":33,"featured_media":1230,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"elementor_theme","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[25,3],"tags":[50,49],"ppma_author":[48],"class_list":["post-1339","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-juubel","category-meil-ja-mujal","tag-biosensorid","tag-kiirtest","wpautop"],"authors":[{"term_id":48,"user_id":33,"is_guest":0,"slug":"eerik-j6gi","display_name":"Eerik J\u00f5gi (vanemlektor)","avatar_url":"https:\/\/secure.gravatar.com\/avatar\/c6cbdfad37a0176984bce6c3b9c7b5fc68afe6256b06e67be9e0ad9ce08a6e6c?s=96&d=blank&r=g","0":null,"1":"","2":"","3":"","4":"","5":"","6":"","7":"","8":""}],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1339","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/users\/33"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1339"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1339\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1344,"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1339\/revisions\/1344"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/media\/1230"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1339"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1339"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1339"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/tartuh.ee\/tervist\/wp-json\/wp\/v2\/ppma_author?post=1339"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}