Алгоритмы расчёта параметров электрохимического биосенсора

The aim of this work is to present the experimental results in the form of an algorithm for analyzing the modification of screen printed electrodes, including the possibility of its regeneration for irreversibly oxidizing biologically active compounds (drugs, DNA and proteins). A protocol was developed for quantitative analysis and study of the mechanism of drug-DNA interaction by differential pulse voltammetry, including the following parameters: complex binding constant, Gibbs free energy, and electrochemical coefficients of the toxic effect.Цель работы – представить экспериментальные результаты в виде алгоритма анализа модификации печатного графитового электрода, включая возможность его регенерации для необратимо окисляющихся биологически активных соединений. Разработан протокол количественного анализа и исследования механизма взаимодействия лекарственный препарат-ДНК методом дифференциально- импульсной вольтамперометрии, включающий следующие параметры: константу связывания комплекса, свободную энергия Гиббса и электрохимический коэффициент токсичности препарата

Взаимодействие противоопухолевого препарата ацетата абиратерона с дцДНК

The electroanalytical characteristics of double-stranded DNA (dsDNA) and the complex of dsDNA and the antitumor drug abiraterone acetate (AA) were studied by differential pulse voltammetry. The effect of abiraterone acetate on dsDNA was shown, which was registered by alteration the intensity of electrochemical oxidation of purine heterocyclic bases guanine and adenine using screen printed electrodes modified with functionalized carbon nanotubes. The binding constants (Kb) of the [dsDNA-AA] complex for guanine and adenine were 1.63×104 M-1 and 1.93×104 M-1, respectively. The electrochemical coefficients of the toxic effect were calculated as the ratio of the intensity of the electrochemical oxidation signals of guanine and adenine, in the presence of abiraterone acetate to the intensity of the electrooxidation signals of these nucleobases  without drug (%). At concentrations of abiraterone acetate exceeding 60 μM, a decrease in the currents of electrochemical oxidation of guanine and adenine by 50% or more is recorded. Based on the analysis of electrochemical parameters and values ​​of binding constants, an assumption was made about the mechanism of interaction of abiraterone acetate with DNA, mainly due to the formation of hydrogen bonds with the minor groove. An electrochemical DNA biosensor was first used to study the mechanism of interaction of the anticancer drug abiraterone acetate with dsDNA.Методом дифференциально-импульсной вольтамперометрии исследованы электроаналитические характеристики двухцепочечной ДНК (дцДНК) и комплекса дцДНК и противоопухолевого препарата ацетата абиратерона (АА). Показано влияние ацетата абиратерона на дцДНК, регистрируемое по изменению интенсивности электрохимического окисления пуриновых гетероциклических азотистых оснований гуанина и аденина с использованием печатных электродов, модифицированных функционализированными углеродными нанотрубками. Константы связывания (Кb) комплекса [дцДНК-АА], для гуанина и аденина, составили 1.63×104 М-1 и 1.93×104 М-1, соответственно. Рассчитаны электрохимические коэффициенты токсического эффекта как отношение интенсивности сигналов электроокисления гуанина и аденина, входящих в состав дцДНК, в присутствии ацетата абиратерона к интенсивности сигналов электроокисления этих азотистых оснований без лекарства (%). При концентрациях ацетата абиратерона, превышающих 60 мкМ, регистрируется снижение токов электрохимического окисления гуанина и аденина на 50% и более. На основании анализа электрохимических параметров и значений констант связывания сделано предположение о механизме взаимодействия ацетата абиратерона с ДНК преимущественно за счет образования водородных связей с малой бороздкой. Электрохимический ДНК-биосенсор был впервые использован для исследования механизма взаимодействия противоопухолевого препарата ацетата абиратерона с дцДНК

Методы анализа лекарственных препаратов

Modern methods of analysis of drugs for their quantitative assessment are considered. Particular attention is paid to the electrochemical methods of drug registration, based on the reaction of electrooxidation of molecules. Systems and materials for modifying electrodes are described, as well as methods for producing modified electrodes for electrochemical reactions on the surface of electrodes. The authors present data on the electroanalysis of acetaminophen, diclofenac, ibuprofen, omeprazole, using electrodes modified with carbon nanomaterials based on carbon nanotubes and graphene. It was shown that electroanalytical methods allow the registration of therapeutic drugs in a wide range of detectable concentrations (0.1 μМ - 10 mM), which can be used to work with biological fluids (plasma, blood, urine), to conduct drug monitoring and study drug-drug interactions.Рассмотрены современные методы количественного анализа лекарственных препаратов. Особое внимание уделено электрохимическим методам регистрации лекарственных средств, основанным на реакции электроокисления молекул. Описаны системы и материалы для модификации электродов, а также методы получения модифицированных электродов для электрохимических реакций на поверхности электродов. Приведены данные авторов по электроанализу ацетаминофена, диклофенака, ибупрофена, омепразола с помощью электродов, модифицированных углеродными наноматериалами на основе углеродных нанотрубок и графена. Показано, что электроаналитические методы позволяют регистрировать терапевтические препараты в широком диапазоне определяемых концентраций (0.1 мкМ – 10 мМ). Они могут быть использованы для работы с биологическими жидкостями (плазма, кровь, моча), для проведения лекарственного мониторинга и исследования межлекарственных взаимодействий

Электрохимический анализ метаболитов как метод определения активности цитохромов P450

The review deals with the electrochemical methods for determination of metabolites of cytochromes P450 catalyzed reactions. We have focused on the electrochemical determination of metabolites of drugs and some endogenous compounds. We have reviewed bielectrode systems for determination of cytochrome P450 activity, where one electrode serves as a matrix for enzyme immobilization and a source of electrons for heme iron ion reduction and initialization of the catalytic reaction towards a substrate and the second one is being used for quantification of the products formed by their electrochemical oxidation. Such systems allow one to elude additional steps of separation of reaction substrates and products. The review also includes discussion of the ways to increase the analytical sensitivity and decrease the limit of detection of the investigated metabolites by chemical modification of electrodes. We demonstrate the possibilities of these systems for cytochrome P450 kinetics analysis and the perspectives of their further improvement, such as increasing the sensitivity of metabolite electrochemical determination by modern electrode modificators, including carbon-based, and construction of devices for automatic monitoring of the products.В обзоре рассмотрены методы электрохимического определения метаболитов реакций, катализируемых цитохромами P450. Основной акцент сделан на электрохимическом определении метаболитов лекарственных препаратов и некоторых эндогенных соединений. Рассмотрены биэлектродные системы для определения активности цитохромов P450, в которых один электрод выступает в качестве матрицы для иммобилизации фермента и донора электронов для восстановления иона железа гема и инициации каталитической реакции по отношению к субстрату, а второй – для количественного определения образующихся продуктов путем их электрохимического окисления. Такие системы в идеале позволяют избежать дополнительных стадий разделения субстратов и продуктов реакций. В обзоре также обсуждены способы повышения аналитической чувствительности и снижения предела определяемых концентраций исследуемых метаболитов за счет химической модификации электродов. Показаны возможности таких систем для анализа кинетики реакций, катализируемых цитохромами P450, и перспективы их дальнейшего развития, такие как повышение чувствительности электрохимического определения метаболитов с помощью современных материалов для модификации электродов, в том числе на основе углерода, а также создание устройств, позволяющих в автоматическом режиме проводить регистрацию образующихся продуктов

Подготовка электрохимических биосенсорных систем для анализа биообъектов: обоснованный выбор модификаций рабочей поверхности электродов для проведения исследований в режиме «смарт-электродов»

The electrochemical method of analysis of biological objects based on the reaction of electro-oxidation/electro-reduction of molecules is considered. Materials and complex systems for modifying electrodes as well as methods for producing modified electrodes to increase the sensitivity of recording the flow of electrochemical reactions on the surface of the electrodes are described. Methods of electrode modifications based on synthetic lipid-like didodecyldimethylammonium bromide, gold and silver nanoparticles, one-dimensional nanoparticles based on lead compounds, titan oxide nanoparticles, dispersions of carbon nanotubes in organic solvents, in polymers with different chemical structure are considered. It is shown that the appropriate functionalization of the working electrode surface makes it possible to increase the sensitivity of the electrochemical biosensor system and decrease the limit of detection. The results are presented in the form of an algorithm applicable for selection the beneficial type of modified electrode for the corresponding electrochemical reaction and biosample analysis.Рассмотрен электрохимический метод регистрации биообъектов и их функциональной активности, основанный на реакции электроокисления/электровосстановления молекул. Описаны материалы и комбинированные системы для модификации электродов, а также методы и протоколы получения химически модифицированных электродов для повышения чувствительности регистрации протекания электрохимических реакций на поверхности электродов. Приведены методики получения электродов, модифицированных синтетическим липидоподобным соединением дидодецилдиметиламмония бромидом, наночастицами золота и серебра, одномерными наноструктурами на основе соединений свинца, наночастицами оксида титана, дисперсиями углеродных нанотрубок в органических растворителях, в полимерах различного строения. Показано, что функционализация рабочей электродной поверхности позволяет повысить чувствительность электрохимической биосенсорной системы и снизить предел определяемых концентраций. Результаты представлены в виде алгоритма, позволяющего осуществить выбор типа модифицированного электрода для проведения соответствующей электрохимической реакции и анализа биомолекулы

Методы электроанализа биологических молекул

This paper focuses on experimental data of electroanalysis of enzymes, proteins, peptides, DNA, and medicinal preparations, obtained by authors. Methods for enzyme electrodes preparation, methods for kinetic parameters calculations based on analysis of electrochemical data. Results are described as algorithm for efficient electrochemical reaction of biomolecules.Рассмотрены методы электроанализа биологических молекул, таких как ферменты, белки, пептиды, ДНК, лекарственные препараты. Описаны методы получения ферментных электродов, методы расчёта кинетических параметров реакций на основе анализа электрохимических данных. Результаты представлены в виде алгоритма, позволяющего осуществить выбор типа электрода для проведения соответствующей электрохимической реакции

Circuits Design and Nano-Structured Electrodes for Drugs Monitoring in Personalized Therapy

Drug development and personalized therapy require accurate and frequent monitoring of the metabolic response by living tissues to treatments. In case of high risk side effects, e.g. therapies with interfering anti-cancer molecule cocktails, direct monitoring of the patient’s drugs metabolism is essential as the metabolic pathways efficacy is highly variable on a patient-by-patient basis. Currently, there are no fully mature point-of-care bio-sensing systems for drugs metabolism monitoring directly in blood. The aim of the paper is to investigate solutions to develop point-of-care systems for drugs monitoring in personalized therapy. P450 enzymes are the considered probe molecules as they are key proteins directly involved in drugs metabolism of humans. Sensitivity improvement is ensured by means of enzyme integration onto electrodes structured with carbon nanotubes. Component Off-The-Shelf (COTS) based circuits design is investigated toward bio-chip development. Results show that the proposed circuitry is suitable for the aim and confirm that nanotubes are detection enhancers

Nano-Bio-Technology and Sensing Chips: New Systems for Detection in Personalized Therapies and Cell Biology

Further advances in molecular medicine and cell biology also require new electrochemical systems to detect disease biomarkers and therapeutic compounds. Microelectronic technology offers powerful circuits and systems to develop innovative and miniaturized biochips for sensing at the molecular level. However, microelectronic biochips proposed in the literature often do not show the right specificity, sensitivity, and reliability required by biomedical applications. Nanotechnology offers new materials and solutions to improve the surface properties of sensing probes. The aim of the present paper is to review the most recent progress in Nano-Bio-Technology in the area of the development of new electrochemical systems for molecular detection in personalized therapy and cell culture monitoring

Quantum Dots and Wires to improve Enzymes-Based Electrochemical Bio- sensing

An investigation on nano-structured electrodes to detect different metabolites is proposed in this paper. Three different metabolites are considered: glucose, lactate, and cholesterol. The direct detection of hydrogen peroxide is also considered since it does not involve any enzyme. The metabolites and the peroxide were detected by using screen-printed electrodes modified by using multi-walled carbon nanotubes. In all cases, improvements of orders of magnitude were registered both on detection sensitivity and on detection limit. A close comparison with data recently published in literature has shown the existence of an inverse linear correlation between detection sensitivity and detection limit when sensor performances improve due to nano- structured materials. This inverse linear relationship seems to be a general law as it is here demonstrated for all the considered detections on glucose, lactate, cholesterol, and hydrogen peroxide