Технология CANARY: принципы работы биосенсора, использование для обнаружения возбудителей инфекционных заболеваний

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.

1. 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.

2. 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).

3. 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/s18061924

4. Layqah 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/s00604-019-3345-5

5. Bartholomew 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.2016.0044

6. Xing 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.x

7. Banerjee 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/toxins5122366

8. Gupta 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.2019.111435

9. Nair 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/ijms20133292

10. Eichmann 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/s00018-015-1982-3

11. Berridge 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.00006.2016

12. Bevilacqua A., Bizzarri M. Inositols in insulin signaling and glucose metabolism // Int. J. Endocrinol. 2018. V. 2018. P. 1968450. https://doi.org/10.1155/2018/1968450

13. Hagen 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.2012.01.004

14. 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).

15. 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.

16. Patent US WO 2008/048300 A2 (2008).

17. Patent US 2010/0062415 A1 (2010).

18. 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.1084920

19. Zamani 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.2015.12.018

20. Price 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