Ученые Высшей инженерной школы агробиотехнологий Томского государственного университета в составе международной команды исследователей из России, Чехии и Индии проанализировали исследования датчиков и биосенсоров из графена за последние 10 лет. Они выясняли, что мешает выводить датчики в серийное производство и использовать для обнаружения антибиотиков в пище и окружающей среде. Оказалось, что всего 19% существующих решений можно запускать в производство. При этом большая часть методов пока не может стать экспресс-тестами для полевых условий, при этом они дорогие и сложные в изготовлении.
Чрезмерное использование антибиотиков в медицине, сельском хозяйстве и животноводстве приводит к попаданию этих веществ в пищу и окружающую среду. Такие очаги загрязнений способствуют появлению супер-бактерий, -грибков, -вирусов, -паразитов, которые устойчивы к стандартным методам лечения. Пандемия антимикробной резистентности — это глобальный кризис. К 2050 году более 10 млн человек в мире могут ежегодно умирать из-за устойчивости к противомикробным препаратам.
Для выявления очагов загрязнения антибиотиками нужны надежные, быстрые и недорогие методы. Один из таких методов — датчики и биосенсоры, изготовленные из производных графена. Эти устройства потенциально недороги, быстры, портативны и могут использоваться непосредственно на месте: на ферме, в клинике или на берегу реки.
В группу исследователей вошли химики-аналитики, электрохимики, материаловеды, паразитологи и медики из ТГУ, ТПУ, СибГМУ, Карлова университета (Чехия), Национального технологического института Руркела, Технологического института Бирла в Месре, Университета Куч-Бехар имени Панчанана Бармы, Университета Видьясагар (Индия), Ученые собрали базу из 94 научных статей, связанных с подобными датчиками и сенсорами, чтобы понять, подходят ли они для практического применения и вывода за пределы лабораторий. В ходе работы были проанализированы датчики для обнаружения 33 антибиотиков из 12 различных классов. Исследование подтвердило их высокую чувствительность: лучшие образцы способны обнаруживать антибиотики в крайне низких концентрациях.
Также команда оценила каждый датчик по стоимости материалов, сложности изготовления и масштабируемости, чтобы понять, насколько он близок к серийному производству.
Несмотря на отличную производительность в лабораторных условиях, лишь немногие датчики соответствовали четырем или более критериям экспресс-тестов, которые проводятся непосредственно на месте. И только 19,1% использовали методы изготовления, пригодные для масштабирования в производстве. Кроме того, 61,7% исследований опирались на дорогостоящие материалы, такие как золото, платина или редкоземельные металлы. Это означает, что датчик, который стоит 80 долларов в лаборатории, может никогда не стать полевым тестом за 5 долларов,
— рассказал один из авторов исследования, ассистент кафедры биотехнологии и биоинформатики ВИША ТГУ Мринал Вашисх.
Авторы пришли к выводу, что разработчики датчиков игнорируют требования, нужные для внедрения: долгосрочную стабильность, устойчивость к загрязнению молоком или кровью, простую подготовку проб, низкую стоимость. Ученые предлагают новую систему оценки датчиков, а также советуют сконцентрироваться на использовании материалов, широко распространенных в природе; разработке покрытий, устойчивых к воздействию жиров и белков; использовании трафаретно напечатанного или лазерно-индуцированного графена для изготовления одноразовых, недорогих электродов.
В перспективе исследователи предлагают интегрировать в работу датчиков технологии машинного обучения. Искусственный интеллект сможет автоматически анализировать сигналы сенсоров и выдавать готовый результат пользователю через мобильные приложения.
Наша работа показывает, что графеновые датчики для определения антибиотиков — это блестящая идея, которая в настоящее время застряла в лаборатории. Мы предоставили данные, концептуальную основу и практические рекомендации, чтобы наконец вывести их в полевые условия, обеспечить безопасность воды и продуктов питания, а также найти применение в клинической практике,
— добавил Мринал Вашисх.
Статья с результатами работы опубликована в журнале Biosensors.
Источник: Минобрнауки России
