nbsprotВестник войск РХБ защитыJournal of NBC Protection Corps2587-57283034-279127 Научный центр10.35825/2587-5728-2020-4-4-431-440dbyufpnbsprot-123Research ArticleБиологическая безопасность и защита от биологических угрозBiological Security and Protection against Biological ThreatsТехнология CANARY: принципы работы биосенсора, использование для обнаружения возбудителей инфекционных заболеванийCANARY Technology: Working Principles of Biosensor, Detection of Infectious PathogensГоршковА. С.GorshkovA. S.

Горшков Антон Сергеевич. Научный сотрудник научно-исследовательского отдела, канд. мед. наук

610000, г. Киров, Октябрьский проспект, д. 119

Anton Sergeyevich Gorshkov. Researcher of the Scientific and Researcher Department. Candidate of Medical Science

Oktyabrsky Avenue 119, Kirov 610000

ПеченкинД. В.PechenkinD. V.

Печенкин Денис Валериевич. Начальник научно-исследовательского отдела, канд. мед. наук

610000, г. Киров, Октябрьский проспект, д. 119

Denis Valeryevich Pechenkin. Chief of the Scientific and Research Department. Candidate of Medical Science

Oktyabrsky Avenue 119, Kirov 610000

23527@mil.ruКузнецовскийА. В.KuznetsovskiyA. V.

Кузнецовский Андрей Владимирович. Начальник отдела планирования НИР – заместитель начальника филиала по НИР, канд. биол. наук

610000, г. Киров, Октябрьский проспект, д. 119

Andrey Vladimirovich Kuznetsovskiy. Chief of the Department of Planning of Science and Research – Deputy Chief of the Branch. Candidate of Biological Science

Oktyabrsky Avenue 119, Kirov 610000

Филиал федерального государственного бюджетного учреждения «48 Центральный научно-исследовательский институт» Министерства обороны Российской ФедерацииРоссияBranch Office of the Federal State Budgetary Establishment «48 Central Scientific Research Institute» of the Ministry of Defence of the Russian FederationRussian Federation20201906202044431440Copyright © Горшков А.С., Печенкин Д.В., Кузнецовский А.В., 20202020Горшков А.С., Печенкин Д.В., Кузнецовский А.В.Gorshkov A.S., Pechenkin D.V., Kuznetsovskiy A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nbsprot.ru/jour/article/view/123

Биосенсоры многократного использования, предназначенные для детекции биохимических аналитов, широко внедрены в клинико-лабораторную практику, однако биосенсоры для выявления патогенных микроорганизмов еще находятся в стадии разработки или внедрения. Одним из таких устройств является биосенсор CANARY (англ. Cellular Analysis and Notification of Antigen Risks and Yields – клеточный анализ и определение рисков и наличия антигена), используемый, в том числе, военным ведомством США для индикации патогенных биологических агентов. Цель работы – рассмотреть принципы работы и молекулярно-биологические основы биосенсора CANARY, проанализировать возможные направления работ и перспективы создания отечественных биосенсоров на основе эукариотических клеток. Принципиальная схема CANARY состоит в том, что его рецепторным компонентом является модифицированный с помощью технологии генно-инженерии В-лимфоцит, несущий на поверхности цитоплазматической мембраны специфические IgM-подобные В-клеточные рецепторы. Эти клетки способны специфически распознавать целевой антиген и через белок экворин генерировать фотосигнал. В настоящее время на основе биосенсора CANARY созданы сенсоры для обнаружения возбудителей чумы (100–1000 КОЕ/мл), туляремии (100 КОЕ/мл), сибирской язвы (100–500 спор/мл), натуральной оспы (<500 КОЕ/мл), некоторых токсинов (рицина – 3 нг/мл, ботулинического токсина – 16 пг/мл). Учитывая высокие показатели чувствительности и специфичность метода, относительную простоту и высокую скорость анализа одной пробы, возможность анализа проб аэрозолей, данную технологию следует рассматривать как перспективную основу для создания отечественных биологических сенсоров, предназначенных для обнаружения опасных биологических агентов в биологических образцах, воде, пищевых продуктах, на объектах окружающей среды и в аэрозолях. Особую актуальность сенсорам на основе технологии CANARY придает ухудшение глобальной эпидемической обстановки, вызванное распространением различных штаммов SARS-CoV-2. Для создания отечественного аналога такого биосенсора потребуется тесная кооперация с научными учреждениями, специализирующимися в области молекулярной генетики, и производителями лабораторного оборудования. В статье также показана логика появления и развития технологии CANARY.

Reusable biosensors for the detection of biochemical analytes are widely used in clinical and laboratory practice. However, biosensors for the detection of pathogenic microorganisms are still under development or implementation. One of these devices is CANARY biosensor (Cellular Analysis and Notification of Antigen Risks and Yields), used by the US Army to indicate pathogenic biological agents. The aim of this article is to consider operating principles and molecular-biological foundations of CANARY biosensor, to analyze the possible directions of work and the prospects for creating domestically made biosensors based on eukaryotic cells. The concept of CANARY is that its receptor component is a B-lymphocyte, modified using genetic engineering, which carries specific IgM-like B-cell receptors on the surface of the cytoplasmic membrane. These cells are able to specifically recognize the target antigen and generate a photosignal through the aequorin protein. Currently, biosensors are already created for the detection of causative agents of plague (100–1000 CFU / ml), tularemia (100 CFU / ml), anthrax (100–500 spores / ml), smallpox (<500 CFU / ml), some toxins (ricin – 3 ng / ml, botulinum toxin – 16 pg / ml). They are based on the CANARY biosensor. Due to high sensitivity and specificity of this method, the relative simplicity and high speed of analysis of one sample, the possibility of analyzing aerosol samples, this technology should be considered as a promising basis for the creation of domestically made biological sensors to detect hazardous biological agents in biological samples, water, food, ecological samples and in aerosols. The deterioration of the global epidemic situation caused by the spread of various strains of SARS-CoV-2 makes sensors based on CANARY technology especially relevant. To create a domestic analogue of such a biosensor, close cooperation with scientific institutions that specialize in molecular genetics and manufacturers of laboratory equipment is required.

аэрозольB-лимфобластВ-лимфоцитбезреагентный анализбиосенсорIgM-подобные В-клеточные рецепторыиндикация патогенных биологических агентовтехнология CANARYэкворинaerosolB-lymphoblastB lymphocytesreagent-free analysisbiosensorIgM-like B-cell receptorsindication of pathogenic biological agentsCANARY technologyaequorinReferencesAmini K., Kraatz H-B. Recent developments in biosensor technologies for pathogen detection in water // JSM Environmental Science Ecology. 2015. V. 3. № 1. P. 1012.Amini K., Kraatz H-B. Recent developments in biosensor technologies for pathogen detection in water // JSM Environmental Science Ecology. 2015. V. 3. № 1. P. 1012.Уткин Д.В., Осина Н.А., Куклев В.Е. и др. Биосенсоры: современное состояние и перспективы применения в лабораторной диагностике особо опасных инфекционных болезней // Проблемы особо опасных инфекций. 2009. № 102. С. 11–14. Utkin D.V., Osina N.A., Kuklev V.E. et al. Biosensors: modern state and prospects for using in the diagnostics of particulary dangerous infection deseases // Problems of Particularly Dangerous Infections. 2009. № 102. P. 11–14 (in Russian).Уткин Д.В., Осина Н.А., Куклев В.Е. и др. Биосенсоры: современное состояние и перспективы применения в лабораторной диагностике особо опасных инфекционных болезней // Проблемы особо опасных инфекций. 2009. № 102. С. 11–14. Utkin D.V., Osina N.A., Kuklev V.E. et al. Biosensors: modern state and prospects for using in the diagnostics of particulary dangerous infection deseases // Problems of Particularly Dangerous Infections. 2009. № 102. P. 11–14 (in Russian).Asal M., Özen Ö., Şahinler M., Polatoğlu İ. Recent developments in enzyme, DNA and immunobased biosensors // Sensors (Basel). 2018. V. 18. № 6. P. 1924. https://doi.org/10.3390/s18061924Asal M., Özen Ö., Şahinler M., Polatoğlu İ. Recent developments in enzyme, DNA and immunobased biosensors // Sensors (Basel). 2018. V. 18. № 6. P. 1924. https://doi.org/10.3390/s18061924Layqah L.A., Eissa S. An electrochemical immunosensor for the corona virus associated with the Middle East respiratory syndrome using an array of gold nanoparticle-modified carbon electrodes // Microchim. Acta. 2019. V. 186. № 4. P. 224. https://doi.org/10.1007/s00604-019-3345-5Layqah L.A., Eissa S. An electrochemical immunosensor for the corona virus associated with the Middle East respiratory syndrome using an array of gold nanoparticle-modified carbon electrodes // Microchim. Acta. 2019. V. 186. № 4. P. 224. https://doi.org/10.1007/s00604-019-3345-5Bartholomew R.A., Ozanich R.M., Arce J.S. et al. Evaluation of immunoassays and general biological indicator tests for field screening of Bacillus anthracis and ricin // Health Secur. 2017. V. 15. № 1. P. 81–96. https://doi.org/10.1089/hs.2016.0044Bartholomew R.A., Ozanich R.M., Arce J.S. et al. Evaluation of immunoassays and general biological indicator tests for field screening of Bacillus anthracis and ricin // Health Secur. 2017. V. 15. № 1. P. 81–96. https://doi.org/10.1089/hs.2016.0044Xing J.Z., Zhu L., Huang B. et al. Microelectronicsensing assay to detect presence of Verotoxins in human faecal samples // J. Appl. Microbiol. 2012. V. 113. № 2. P. 429–37. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2012.05321.xXing J.Z., Zhu L., Huang B. et al. Microelectronicsensing assay to detect presence of Verotoxins in human faecal samples // J. Appl. Microbiol. 2012. V. 113. № 2. P. 429–37. https://doi.org/10.1111/j.1365-2672.2012.05321.xBanerjee P., Kintzios S., Prabhakarpandian B. Biotoxin detection using cell-based sensor // Toxins (Basel). 2013. V. 5. № 12. P. 2366–2383. https://doi.org/10.3390/toxins5122366Banerjee P., Kintzios S., Prabhakarpandian B. Biotoxin detection using cell-based sensor // Toxins (Basel). 2013. V. 5. № 12. P. 2366–2383. https://doi.org/10.3390/toxins5122366Gupta N., Renugopalakrishnan V., Liepmann D. et al. Cell-based biosensors: recent trends, challenges and future perspectives // Biosens. Bioelectron. 2019. V. 141. P. 111435. https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.111435Gupta N., Renugopalakrishnan V., Liepmann D. et al. Cell-based biosensors: recent trends, challenges and future perspectives // Biosens. Bioelectron. 2019. V. 141. P. 111435. https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.111435Nair A., Chauhan P., Saha B., Kubatzky K.F. Conceptual evolution of cell signaling // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. № 13. P. 3292. https://doi.org/10.3390/ijms20133292Nair A., Chauhan P., Saha B., Kubatzky K.F. Conceptual evolution of cell signaling // Int. J. Mol. Sci. 2019. V. 20. № 13. P. 3292. https://doi.org/10.3390/ijms20133292Eichmann T.O., Lass A. DAG tales: the multiple faces of diacylglycerol – stereochemistry, metabolism, and signaling // Cell. Mol. Life. Sci. 2015. V. 72. № 20. P. 3931–3952. https://doi.org/10.1007/s00018-015-1982-3Eichmann T.O., Lass A. DAG tales: the multiple faces of diacylglycerol – stereochemistry, metabolism, and signaling // Cell. Mol. Life. Sci. 2015. V. 72. № 20. P. 3931–3952. https://doi.org/10.1007/s00018-015-1982-3Berridge M.J. The inositol trisphosphate/ calcium signaling pathway in health and disease // Physiol. Rev. 2016. V. 96. № 4. P. 1261–1296. https://doi.org/10.1152/physrev.00006.2016Berridge M.J. The inositol trisphosphate/ calcium signaling pathway in health and disease // Physiol. Rev. 2016. V. 96. № 4. P. 1261–1296. https://doi.org/10.1152/physrev.00006.2016Bevilacqua A., Bizzarri M. Inositols in insulin signaling and glucose metabolism // Int. J. Endocrinol. 2018. V. 2018. P. 1968450. https://doi.org/10.1155/2018/1968450Bevilacqua A., Bizzarri M. Inositols in insulin signaling and glucose metabolism // Int. J. Endocrinol. 2018. V. 2018. P. 1968450. https://doi.org/10.1155/2018/1968450Hagen S., Brachs S., Kroczek C., Fürnrohr B.G. et al. The B cell receptor-induced calcium flux involves a calcium mediated positive feedback loop // Cell Calcium. 2012. V. 51. № 5. P. 411–417. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2012.01.004Hagen S., Brachs S., Kroczek C., Fürnrohr B.G. et al. The B cell receptor-induced calcium flux involves a calcium mediated positive feedback loop // Cell Calcium. 2012. V. 51. № 5. P. 411–417. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2012.01.004Иммунология: структура и функции иммунной системы: учебное пособие / Р.М. Хаитов. 2013. 280 с. Immunology: structure and function of immune system / R.M. Haitov. 2013. 280 p. (in Russian).Иммунология: структура и функции иммунной системы: учебное пособие / Р.М. Хаитов. 2013. 280 с. Immunology: structure and function of immune system / R.M. Haitov. 2013. 280 p. (in Russian).Petrovick M.S., Harper J.D., Nargi F.E. et al. Rapid sensors for biological-agent identification // Lincoln Laboratory J. 2007. V. 17. № 1. Р. 63–84.Petrovick M.S., Harper J.D., Nargi F.E. et al. Rapid sensors for biological-agent identification // Lincoln Laboratory J. 2007. V. 17. № 1. Р. 63–84.Patent US WO 2008/048300 A2 (2008).Patent US WO 2008/048300 A2 (2008).Patent US 2010/0062415 A1 (2010).Patent US 2010/0062415 A1 (2010).Rider T.H., Petrovick M.S., Nargi F.E. et al. A B cell-based sensor for rapid identification of pathogens // Science. 2003. V. 301. № 5630. P. 213–215. https://doi.org/10.1126/science.1084920Rider T.H., Petrovick M.S., Nargi F.E. et al. A B cell-based sensor for rapid identification of pathogens // Science. 2003. V. 301. № 5630. P. 213–215. https://doi.org/10.1126/science.1084920Zamani P., Sajedi R.H., Hosseinkhani S., Zeinoddini M., Bakhshi B. A luminescent hybridomabased biosensor for rapid detection of V. cholerae upon induction of calcium signaling pathway // Biosens. Bioelectron. 2016. V. 79. P. 213–219. https://doi.org/10.1016/j.bios.2015.12.018Zamani P., Sajedi R.H., Hosseinkhani S., Zeinoddini M., Bakhshi B. A luminescent hybridomabased biosensor for rapid detection of V. cholerae upon induction of calcium signaling pathway // Biosens. Bioelectron. 2016. V. 79. P. 213–219. https://doi.org/10.1016/j.bios.2015.12.018Price P.W., McKinney E.C., Wang Y. et al. Engineered cell surface expression of membrane immunoglobulin as a means to identify monoclonal antibody-secreting hybridomas // J. Immunol. Methods. 2009. V. 343 № 1. P. 28–41. https://doi.org/10.1016/j.jim.2009.01.005Price P.W., McKinney E.C., Wang Y. et al. Engineered cell surface expression of membrane immunoglobulin as a means to identify monoclonal antibody-secreting hybridomas // J. Immunol. Methods. 2009. V. 343 № 1. P. 28–41. https://doi.org/10.1016/j.jim.2009.01.005

The authors declare that there are no conflicts of interest present.