КНИ-биосенсор новой топологии для детекции маркера острого инфаркта миокарда — тропонина I

А.А. Черемискина, В.В. Красицкая, В.М. Генералов, Л.А. Франк, А.В. Глухов, М.В. Кручинина, Г.А. Кудров, Д.Е. Сердюк, В.К. Грабежова

Ключевые слова: биосенсор; нанопроволока; кремний-на-изоляторе; полевой транзистор; тропонин I; инфаркт миокарда; аптамер; физическая адсорбция.

2024, том 16, номер 1, стр. 37.

DOI: https://doi.org/10.17691/stm2024.16.1.04

Полный текст статьи

html pdf

456

518

Аннотация
Список литературы
Как цитировать в References

Перспективным устройством для детекции биологических молекул, в частности таких как тропонин I, является биосенсор на основе полевых транзисторов на структурах кремний-на-изоляторе (КНИ-биосенсор), который позволяет проводить анализ в режиме реального времени без использования меток.

Цель исследования — разработка конструкции КНИ-биосенсора для детекции маркера острого инфаркта миокарда — тропонина I.

Особенность биосенсора состояла в интеграции двух электродов заземления непосредственно на поверхность биосенсора, что эффективно уменьшало статический потенциал жидкого образца, а также сводило к минимуму физические поломки конструктивных элементов устройства.

Материалы и методы. Для специфической детекции маркера в качестве рецепторов использовали высокоспецифичный анти-тропонин I ДНК-аптамер. Иммобилизацию аптамера на поверхность биосенсора проводили методом физической адсорбции. Анализируемый диапазон целевого тропонина I составил 10^–11–10^–9 моль/л, что соответствует клиническому уровню белка в биологической пробе при остром инфаркте миокарда. В течение эксперимента поддерживалось постоянное напряжение — V_ds=0,15 В.

Результаты. КНИ-биосенсор успешно обнаружил целевые молекулы тропонина I в концентрации 10^–11 моль/л, время анализа занимало примерно 200–300 с на одну пробу. В процессе детекции выявлено заметное снижение тока биосенсора. Это свидетельствует о том, что образующийся комплекс «тропонин I + анти-тропонин I ДНК-аптамер» обладает отрицательным эффективным электрическим зарядом на границе раздела фаз «жидкая проба–нанопроволока».

Всемирная организация здравоохранения. 10 ведущих причин смерти в мире. 9 декабря 2020 г. URL: https://www.who.int/ru/news-room/ fact-sheets/detail/the-top-10-causes-of-death.
Снежицкий В.А., Ёрш И.Р., Голышко В.С., Литвинович С.Н. Инфаркт миокарда: патофизиологические механизмы развития, диагностическая стратегия и тактика лечения. Гродно: Гродненский государственный медицинский университет; 2015; 328 с.
Pan T.M., Wang C.W., Weng W.C., Lai C.C., Lu Y.Y., Wang C.Y., Hsieh I.C., Wen M.S. Rapid and label-free detection of the troponin in human serum by a TiN-based extended-gate field-effect transistor biosensor. Biosens Bioelectron 2022; 201: 113977, https://doi.org/10.1016/j.bios.2022.113977.
Ojha N., Dhamoon A.S. Myocardial infarction. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2022. URL: https://europepmc.org/article/nbk/nbk537076#_article-25460_s13_.
Gerhardt W., Nordin G., Ljungdahl L. Can troponin T replace CK MBmass as “gold standard” for acute myocardial infarction (“AMI”)? Scand J Clin Lab Invest Suppl 1999; 230: 83–89, https://doi.org/10.1080/00365519909168331.
Morrow D.A., Cannon C.P., Jesse R.L., Newby L.K., Ravkilde J., Storrow A.B., Wu A.H.B., Christenson R.H., Apple F.S., Francis G., Tang W.; National Academy of Clinical Biochemistry. National Academy of Clinical Biochemistry Laboratory Medicine Practice Guidelines: clinical characteristics and utilization of biochemical markers in acute coronary syndromes. Clin Chem 2007; 115(13): e356–e375, https://doi.org/10.1161/circulationaha.107.182882.
Daubert M.A., Jeremias A. The utility of troponin measurement to detect myocardial infarction: review of the current findings. Vasc Health Risk Manag 2010; 6: 691–699, https://doi.org/10.2147/vhrm.s5306.
Dhara K., Mahapatra D.R. Review on electrochemical sensing strategies for C-reactive protein and cardiac troponin I detection. Microchem J 2020; 156: 104857, https://doi.org/10.1016/j.microc.2020.104857.
Kong T., Su R., Zhang B., Zhang Q., Cheng G. CMOS-compatible, label-free silicon-nanowire biosensors to detect cardiac troponin I for acute myocardial infarction diagnosis. Biosens Bioelectron 2012; 34(1): 267–272, https://doi.org/10.1016/j.bios.2012.02.019.
Sharma S., Jackson P.G., Makan J. Cardiac troponins. J Clin Pathol 2004; 57(10): 1025–1026, https://doi.org/10.1136/jcp.2003.015420.
Oliveira D.C.d.B., Costa F.H.M., da Silva J.A.F. The integration of field effect transistors to microfluidic devices. Micromachines (Basel) 2023; 14(4): 791, https://doi.org/10.3390/mi14040791.
George Kerry R., Ukhurebor K.E., Kumari S., Maurya G.K., Patra S., Panigrahi B., Majhi S., Rout J.R., Rodriguez-Torres M.d.P., Das G., Shin H.S., Patra J.K. A comprehensive review on the applications of nano-biosensor-based approaches for non-communicable and communicable disease detection. Biomater Sci 2021; 9(10): 3576–3602, https://doi.org/10.1039/d0bm02164d.
Tran D.P., Pham T.T.T., Wolfrum B., Offenhäusser A., Thierry B. CMOS-compatible silicon nanowire field-effect transistor biosensor: technology development toward commercialization. Materials (Basel) 2018; 11(5): 785, https://doi.org/10.3390/ma11050785.
Kim K., Park C., Kwon D., Kim D., Meyyappan M., Jeon S., Lee J.S. Silicon nanowire biosensors for detection of cardiac troponin I (cTnI) with high sensitivity. Biosens Bioelectron 2016; 77: 695–701, https://doi.org/10.1016/j.bios.2015.10.008.
De Moraes A.C.M., Kubota L.T. Recent trends in field-effect transistors-based immunosensors. Chemosensors 2016; 4(4): 20, https://doi.org/10.3390/chemosensors4040020.
Generalov V.M., Naumova O.V., Fomin B.I., P’yankov S.A., Khlistun I.V., Safatov A.S., Zaitsev B.N., Zaitseva E.G., Aseev A.L. Detection of Ebola virus VP40 protein using a nanowire SOI biosensor. Optoelectron Instrum Data Process 2019; 55: 618–622, https://doi.org/10.3103/s875669901906013x.
Patolsky F., Zheng G., Hayden O., Lakadamyali M., Zhuang X., Lieber C.M. Electrical detection of single viruses. Proc Natl Acad Sci U S A 2004; 101(39): 14017–14022, https://doi.org/10.1073/pnas.0406159101.
Panahi A., Sadighbayan D., Forouhi S., Ghafar-Zadeh E. Recent advances of field-effect transistor technology for infectious diseases. Biosensor (Basel) 2021; 11(4): 103, https://doi.org/10.3390/bios11040103.
Wadhera T., Kakkar D., Wadhwa G., Raj B. Recent advances and progress in development of the field effect transistor biosensor: a review. J Electron Mater 2019; 48: 7635–7646, https://doi.org/10.1007/s11664-019-07705-6.
Sadighbayan D., Hasanzadeh M., Ghafar-Zadeh E. Biosensing based on field-effect transistors (FET): recent progress and challenges. Trends Analyt Chem 2020; 133: 116067, https://doi.org/10.1016/j.trac.2020.116067.
Cetin Y., Aydinlik S., Gungor A., Kan T., Avsar T., Durdagi S. Review on in silico methods, high-throughput screening techniques, and cell culture based in vitro assays for SARS-CoV-2. Curr Med Chem 2020; 29(38): 5925–5948, https://doi.org/10.2174/0929867329666220627121416.
Chiang P.L., Chou T.C., Wu T.H., Li C.C., Liao C.D., Lin J.Y., Tsai M.H., Tsai C.C., Sun C.J., Wang C.H., Fang J.M., Chen Y. T. Nanowire transistor-based ultrasensitive virus detection with reversible surface functionalization. Chem Asian J 2012; 7(9): 2073–2079, https://doi.org/10.1002/asia.201200222.
Thriveni G., Ghosh K. Advancement and challenges of biosensing using field effect transistors. Biosensors (Basel) 2022; 12(8): 647, https://doi.org/10.3390/bios12080647.
Bulgakova A., Berdyugin A., Naumova O., Fomin B., Pyshnyi D., Chubarov A., Dmitrienko E., Lomzov A. Solution pH effect on drain-gate characteristics of SOI FET biosensor. Electronics 2023; 12(3): 777, https://doi.org/10.3390/electronics12030777.
Vance S.A., Sandros M.G. Zeptomole detection of C-reactive protein in serum by a nanoparticle amplified surface plasmon resonance imaging aptasensor. Sci Rep 2014; 4: 5129, https://doi.org/10.1038/srep05129.
Yang X., Wang Y., Wang K., Wang Q., Wang P., Lin M., Chena N., Tan Y. DNA aptamer-based surface plasmon resonance sensing of human C-reactive protein. RSC Adv 2014; 4(58): 30934–30937, https://doi.org/10.1039/c4ra05011h.
Lin M.C., Nawarak J., Chen T.Y., Tsai H.Y., Hsieh J.F., Sinchaikul S., Chen S.T. Rapid detection of natriuretic peptides by a microfluidic LabChip analyzer with DNA aptamers: application of natriuretic peptide detection. Biomicrofluidics 2009; 3(3): 34101, https://doi.org/10.1063/1.3194283.
Pur M.R.K., Hosseini M., Faridbod F., Ganjali M.R. Highly sensitive label-free electrochemiluminescence aptasensor for early detection of myoglobin, a biomarker for myocardial infarction. Microchim Acta 2017; 184: 3529–3537, https://doi.org/10.1007/s00604-017-2385-y.
Jo H., Her J., Lee H., Shim Y.B., Ban C. Highly sensitive amperometric detection of cardiac troponin I using sandwich aptamers and screen-printed carbon electrodes. Talanta 2017; 165: 442–448, https://doi.org/10.1016/j.talanta.2016.12.091.
Negahdary M., Behjati-Ardakani M., Sattarahmady N., Yadegari H., Heli H. Electrochemical aptasensing of human cardiac troponin I based on an array of gold nanodumbbells — applied to early detection of myocardial infarction. Sens Actuators B Chem 2017; 252: 62–71, https://doi.org/10.1016/j.snb.2017.05.149.
Chandola C., Kalme S., Casteleijn M.G., Urtti A., Neerathilingam M. Application of aptamers in diagnostics, drug-delivery and imaging. J Biosci 2016; 41(3): 535–561, https://doi.org/10.1007/s12038-016-9632-y.
Squires T.M., Messinger R.J., Manalis S.R. Making it stick: convection, reaction and diffusion in surface-based biosensors. Nat Biotechnol 2008; 26(4): 417–426, https://doi.org/10.1038/nbt1388.
Krasitskaya V.V., Goncharova N.S., Biriukov V.V., Bashmakova E.E., Kabilov M.R., Baykov I.K., Sokolov A.E., Frank L.A. The Ca2+-regulated photoprotein obelin as a tool for SELEX monitoring and DNA aptamer affinity evaluation. Photochem Photobiol 2020; 96(5): 1041–1046, https://doi.org/10.1111/php.13274.
Stern E., Wagner R., Sigworth F.J., Breaker R., Fahmy T.M., Reed M.A. Importance of the Debye screening length on nanowire field effect transistor sensors. Nano Lett 2007; 7(11): 3405–3409, https://doi.org/10.1021/nl071792z.
Генералов В.М., Наумова О.В., Пьянков С.А., Колосова И.В., Сафатов А.С., Зайцев Б.Н., Зайцева Э.Г., Буряк Г.А., Черемискина А.А., Филатова Н.А., Асеев А.Л. Индикация вируса осповакцины с помощью нанопроволочного КНИ-биосенсора. Автометрия 2021; 57(1): 42–49, https://doi.org/10.15372/aut20210105.
Ocaña C., del Valle M. A comparison of four protocols for the immobilization of an aptamer on graphite composite electrodes. Microchim Acta 2014; 181: 355–363, https://doi.org/10.1007/s00604-013-1126-0.
Tan S.Y., Acquah C., Tan S.Y., Ongkudon C.M., Danquah M.K. Characterisation of charge distribution and stability of aptamer-thrombin binding interaction. Process Biochem 2017; 60: 42–51, https://doi.org/10.1016/j.procbio.2017.06.003.
Kantor C.R., Schimmel P.R. Biophysical chemistry: part I: the conformation of biological macromolecules. 1st edition. W.H. Freeman and Company; 1980.
Ravindranathan S., Butcher S.E., Feigon J. Adenine protonation in domain B of the hairpin ribozyme. Biochemistry 2000; 39(51): 16026–16032, https://doi.org/10.1021/bi001976r.
Кочетков Н.К., Будовский Э.П., Свердлов Е.Д., Симукова Н.К., Турчинский М.Ф., Шибаев В.Н. Органическая химия нуклеиновых кислот. М: Химия; 1970.
Шабарова З.А., Богданов А.А. Химия нуклеиновых кислот и их компонентов. М: Химия; 1978; с. 584.
Farrow T., Laumier S., Sandall I., van Zalinge H. An aptamer-functionalized Schottky-field effect transistor for the detection of proteins. Biosensors (Basel) 2022; 12(5): 347, https://doi.org/10.3390/bios12050347.
Filatov V.L., Katrukha A.G., Bulargina T.V., Gusev N.B. Troponin: structure, properties, and mechanism of functioning. Biochemistry (Mosc) 1999; 64: 969–985.
Сердечный тропонин I. HyTest; 2019. URL: https://hytest.ru/sites/ 5cd13840ff4f702c0cbc4c8d/assets/5da43ec3fd7fb419e85444c7/ Troponin_Booklet_2019.pdf.
Generalov V., Cheremiskina A., Glukhov A., Grabezhova V., Kruchinina M., Safatov A. Investigation of limitations in the detection of antibody+ antigen complexes using the silicon-on-insulator field-effect transistor biosensor. Sensors (Basel) 2023; 23(17): 7490, https://doi.org/10.3390/s23177490.

Cheremiskina A.A., Krasitskaya V.V., Generalov V.M., Frank L.A., Glukhov A.V., Kruchinina M.V., Kudrov G.A., Serdyuk D.E., Grabezhova V.K. Novel SOI-Biosensor Topology for the Detection of an Acute Myocardial Infarction Marker — Troponin I. Sovremennye tehnologii v medicine 2024; 16(1): 37, https://doi.org/10.17691/stm2024.16.1.04