avtomatizirana analiza - university of...

13
Univerzitetni študijski program Kemija Izbirni sklop analizna in anorganska kemija Avtomatizirana analiza Seminar 2012 Predavatelj: prof. dr. Boris Pihlar Seminarska naloga je izdelana v okviru študijskih obvez dodiplomskega izbirnega predmeta Avtomatizirana analiza (30-0641). Delo ni lektorirano ali vsebinsko korigirano s strani predavatelja ali drugih univerzitetnih inštitucij. Avtor in inštitucija ne jamčita za pravilnost podatkov in navedb ter ne izključujeta možnosti, da so v objavljenem gradivu napake ali druge nepravilnosti. Gradivo predstavljeno v tem delu je avtorska lastnina, oziroma last navedenih virov, iz katerih je bilo povzeto. Univerza v Ljubljani Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Upload: others

Post on 21-Jan-2021

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

Univerzitetni študijski program Kemija

Izbirni sklop analizna in anorganska kemija

Avtomatizirana analiza

Seminar 2012

Predavatelj: prof. dr. Boris Pihlar

Seminarska naloga je izdelana v okviru študijskih obvez dodiplomskega izbirnega predmeta Avtomatizirana analiza

(30-0641). Delo ni lektorirano ali vsebinsko korigirano s strani predavatelja ali drugih univerzitetnih inštitucij. Avtor in

inštitucija ne jamčita za pravilnost podatkov in navedb ter ne izključujeta možnosti, da so v objavljenem gradivu

napake ali druge nepravilnosti.

Gradivo predstavljeno v tem delu je avtorska lastnina, oziroma last navedenih virov, iz katerih je bilo povzeto.

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Page 2: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

Univerza v Ljubljani

Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo

Univerzitetni študijski program Kemija

Izbirni sklop analizna in anorganska kemija

AVTOMATIZIRANA ANALIZA

SEMINAR

ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA

METABOLIZMA ZDRAVIL ČLOVEŠKEGA CITOKTROMA P450

Povzeto po:

A.Fantuzzi,E.Capria,L. Hang Mak, V.R. Dohbia, S. J. Sadeghi, S. Collins, G.Somers,

E. huq, G. Gilardi; An electrochemical mikrofluid platform for human P450 drug

metabolism profiling ; Analitical Chemistry, 2010,82,10222-10227

Avtor: Andrej Jerič

4. letnik KEMIJA

Mentor: izr.prof.dr. Boris Pihlar

Page 3: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

2

KAZALO

POVZETEK ............................................................................................................................... 3

MIKROFLUIDNA TEHNOLOGIJA ........................................................................................ 3

CITOKROM P450 .................................................................................................................... 4

IZTISKANJE IN ČISŠČENJE ................................................................................................... 5

PRIPRAVA ELEKTRODE ........................................................................................................ 5

MODIFIKACIJE ELEKTRODE ............................................................................................... 6

ELEKTROKEMIJSKO MERJENJE ......................................................................................... 6

REZULTATI in DISKUSIJE ..................................................................................................... 7

KARAKTERIZACIJA MIKROFLUIDNE CELICE ................................................................. 8

FT-IR KARAKTERIZACIJA P 450 3A4/FLD NA ZLATI ELEKTRODI .............................. 9

LOČITEV SAM –SELF ASSEMLED MONOLAYER ............................................................ 9

UČINEK P450 3A4/FLD MIKROFLUIDNE CELICE ........................................................... 10

ZAKLJUČEK ........................................................................................................................... 11

VIRI .......................................................................................................................................... 12

Page 4: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

3

POVZETEK

Članek govori o P450 elektrodi v mikrofluidni obliki. Naredili so 30 µl veliko mikrofluidno

celico iz poli(metil metakrilata) PMMA, sestavljeno iz treh komor: vhodne, izstopne in

reakcijske ter dve ozki elektrodi, pri katerih ena izmed njiju vsebuje človeški citokrom P450

3A4 kovalentno povezan na enojno plast zlata preko 6-heksantiol in 7-mekraptoheptonske

kisline (1:1). Proučevali so odziv P450 elektrode z uporabo znanih substratov P450 3A4:

quinidina, nifedipina, alosterona in ondansterona. Eksperiment je pokazal, da lahko KM

(Michaelis-Menten-ova konstanta) vrednosti rezultatov uporabimo za hitro oceno interakcij

med P450 in zdravili z zelo majhnimi volumni kemijskih vzorcev.

MIKROFLUIDNA TEHNOLOGIJA

Mikrofluidna tehnologija se ukvarja z vedenjem in natančnim nadzorovanjem tekočin, ki so

geometrijsko omejene na majhne volumne. Pod predpono mikro ponavadi mislimo na

naslednje lastnosti:

• majhne količine vzorcev

• majhnost naprave

• nizka poraba energije

• nižji stroški

To je zelo multidisciplinarno področje, ki sega v inženiring kemije, fizike, mikrotehnologije,

biotehnologije, farmacije, … ,kjer se na praktičnih problemih ukvarjajo z uporabo sistemov z

majhno količino vzorcev. Mikrofluidna tehnologija se je pojavila v začetku osemdesetih let

prejšnjega stoletja, uporablja pa se npr. pri razvoju inkjet tiskalnih glav, DNA čipov, lab-on-a-

chip tehnologiji, mikro pogonih ter mikro termalni tehnologiji. [1]

Omogoča zmožnost kontrole in zasledovanja, detekcije kemijskih reakcij, stremi k

približevanju visoke prepustnosti in uporabi manjših volumnov in se usmerja v razvojne

raziskave mikrofluidnih modelov za prepoznavanje zdravil in proteomike. Zelo malo

mikrofluidnih elektrokemijskih tehnik je bilo sprejetih, pri različnih aplikacijah v razponu od

samega celičnega merjenja pa vse tja do okolijskih onesnaževal ter patogenih detekcij.

Detekcije analitov so se lotili tako z »label« in »label free« integriranimi metodami v

Page 5: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

mikrofluid

encime kot

raziskave.

CITOKROM P450

Citokrom

substanc. Substrati encimov vključujejo metabolne intermediate

in druge strupene snovi. Najbolj pogosta reakcija, ki jo encimi katalizirajo je

monooksigenazna

vez med ogljikovim in vodikovim atomom, R

reakcije)

citokromov P450 je hem, zaradi česar jih uvrščamo med hemoproteine. Glede na to kj

citokromi nahajajo pa izhaja njihovo poimenovanje, v celici (cito

spektrofotometričnih lastnosti (

števila različnih citokromov P450 obstaja nomenklatura po kateri se ti encimi

• Red:

• Družina: CYP

• Poddružina: CYP3

• Rod: CYP3A

Encimi iz družine CYP3A4 so najpomembnejši

encimi pri človeku in predstavljajo 70% ecimov v

črevesju.[2

Veliko zanimanje za

ostalih kemikalij iz telesa, kakor tudi v kemijski toksilogiji v povezavi z

interakcijami

tem področju mikrofluidnih naprav z možnostjo zmanjšanja testov in hkrati povečanja

eksperimentalne prepustnosti z uporabo celotnih celičnih pos

s fluorescentno detekcijo produktov. Ker katalizirana reakcija s citokromom P450 v

reducirana ekvivalenta NADPH je potreba po elektronih bistvena za imobilizacijo encimov na

mikrofluidih napravah. Kakorkoli

encime kot »label free

raziskave.

CITOKROM P450

Citokrom P450 je družina encimov

substanc. Substrati encimov vključujejo metabolne intermediate

in druge strupene snovi. Najbolj pogosta reakcija, ki jo encimi katalizirajo je

monooksigenazna reakcija: RH + O

vez med ogljikovim in vodikovim atomom, R

reakcije) oz. NADPH + H+ + O2 + SH

citokromov P450 je hem, zaradi česar jih uvrščamo med hemoproteine. Glede na to kj

citokromi nahajajo pa izhaja njihovo poimenovanje, v celici (cito

spektrofotometričnih lastnosti (

števila različnih citokromov P450 obstaja nomenklatura po kateri se ti encimi

Red: CYP

Družina: CYP

Poddružina: CYP3

Rod: CYP3A4

Encimi iz družine CYP3A4 so najpomembnejši

encimi pri človeku in predstavljajo 70% ecimov v

[2] [3]

Veliko zanimanje za

ostalih kemikalij iz telesa, kakor tudi v kemijski toksilogiji v povezavi z

kcijami (ADME

em področju mikrofluidnih naprav z možnostjo zmanjšanja testov in hkrati povečanja

eksperimentalne prepustnosti z uporabo celotnih celičnih pos

fluorescentno detekcijo produktov. Ker katalizirana reakcija s citokromom P450 v

reducirana ekvivalenta NADPH je potreba po elektronih bistvena za imobilizacijo encimov na

ih napravah. Kakorkoli

label free« senzorje tretje generacije, kar naredi ta pristop še bolj zanimi

CITOKROM P450

450 je družina encimov

substanc. Substrati encimov vključujejo metabolne intermediate

in druge strupene snovi. Najbolj pogosta reakcija, ki jo encimi katalizirajo je

reakcija: RH + O

vez med ogljikovim in vodikovim atomom, R

NADPH + H+ + O2 + SH

citokromov P450 je hem, zaradi česar jih uvrščamo med hemoproteine. Glede na to kj

citokromi nahajajo pa izhaja njihovo poimenovanje, v celici (cito

spektrofotometričnih lastnosti (-

števila različnih citokromov P450 obstaja nomenklatura po kateri se ti encimi

Družina: CYP3

Poddružina: CYP3A

4

Encimi iz družine CYP3A4 so najpomembnejši

encimi pri človeku in predstavljajo 70% ecimov v

Veliko zanimanje za citokrom P450 se kaže v njegov

ostalih kemikalij iz telesa, kakor tudi v kemijski toksilogiji v povezavi z

(ADME-Tox). Industrija je zato uporabila prednosti, ki so bile že

em področju mikrofluidnih naprav z možnostjo zmanjšanja testov in hkrati povečanja

eksperimentalne prepustnosti z uporabo celotnih celičnih pos

fluorescentno detekcijo produktov. Ker katalizirana reakcija s citokromom P450 v

reducirana ekvivalenta NADPH je potreba po elektronih bistvena za imobilizacijo encimov na

ih napravah. Kakorkoli te naprave zelo redko uporabljajo imobilizirane redoks

senzorje tretje generacije, kar naredi ta pristop še bolj zanimi

450 je družina encimov v jetrih

substanc. Substrati encimov vključujejo metabolne intermediate

in druge strupene snovi. Najbolj pogosta reakcija, ki jo encimi katalizirajo je

reakcija: RH + O2 + 2H+ + 2e

vez med ogljikovim in vodikovim atomom, R

NADPH + H+ + O2 + SH →

citokromov P450 je hem, zaradi česar jih uvrščamo med hemoproteine. Glede na to kj

citokromi nahajajo pa izhaja njihovo poimenovanje, v celici (cito

-krom), črka P pa se nanaša na pigment. Zaradi velikega

števila različnih citokromov P450 obstaja nomenklatura po kateri se ti encimi

Encimi iz družine CYP3A4 so najpomembnejši

encimi pri človeku in predstavljajo 70% ecimov v

citokrom P450 se kaže v njegov

ostalih kemikalij iz telesa, kakor tudi v kemijski toksilogiji v povezavi z

. Industrija je zato uporabila prednosti, ki so bile že

em področju mikrofluidnih naprav z možnostjo zmanjšanja testov in hkrati povečanja

eksperimentalne prepustnosti z uporabo celotnih celičnih pos

fluorescentno detekcijo produktov. Ker katalizirana reakcija s citokromom P450 v

reducirana ekvivalenta NADPH je potreba po elektronih bistvena za imobilizacijo encimov na

te naprave zelo redko uporabljajo imobilizirane redoks

senzorje tretje generacije, kar naredi ta pristop še bolj zanimi

v jetrih, katerih glavna funkcija je kataliza organskih

substanc. Substrati encimov vključujejo metabolne intermediate

in druge strupene snovi. Najbolj pogosta reakcija, ki jo encimi katalizirajo je

+ 2e- > ROH + H

vez med ogljikovim in vodikovim atomom, R-OH predstavlja hidroksilirani produkt te

→ NADP+ + H2O + SOH (S=substrat)

citokromov P450 je hem, zaradi česar jih uvrščamo med hemoproteine. Glede na to kj

citokromi nahajajo pa izhaja njihovo poimenovanje, v celici (cito

krom), črka P pa se nanaša na pigment. Zaradi velikega

števila različnih citokromov P450 obstaja nomenklatura po kateri se ti encimi

Encimi iz družine CYP3A4 so najpomembnejši

encimi pri človeku in predstavljajo 70% ecimov v

citokrom P450 se kaže v njegovi pomembnosti pri eliminaciji zdravil in

ostalih kemikalij iz telesa, kakor tudi v kemijski toksilogiji v povezavi z

. Industrija je zato uporabila prednosti, ki so bile že

em področju mikrofluidnih naprav z možnostjo zmanjšanja testov in hkrati povečanja

eksperimentalne prepustnosti z uporabo celotnih celičnih pos

fluorescentno detekcijo produktov. Ker katalizirana reakcija s citokromom P450 v

reducirana ekvivalenta NADPH je potreba po elektronih bistvena za imobilizacijo encimov na

te naprave zelo redko uporabljajo imobilizirane redoks

senzorje tretje generacije, kar naredi ta pristop še bolj zanimi

, katerih glavna funkcija je kataliza organskih

substanc. Substrati encimov vključujejo metabolne intermediate, kot so lipidi, hormoni, droge

in druge strupene snovi. Najbolj pogosta reakcija, ki jo encimi katalizirajo je

> ROH + H2O (R

OH predstavlja hidroksilirani produkt te

NADP+ + H2O + SOH (S=substrat)

citokromov P450 je hem, zaradi česar jih uvrščamo med hemoproteine. Glede na to kj

citokromi nahajajo pa izhaja njihovo poimenovanje, v celici (cito

krom), črka P pa se nanaša na pigment. Zaradi velikega

števila različnih citokromov P450 obstaja nomenklatura po kateri se ti encimi

pomembnosti pri eliminaciji zdravil in

ostalih kemikalij iz telesa, kakor tudi v kemijski toksilogiji v povezavi z

. Industrija je zato uporabila prednosti, ki so bile že

em področju mikrofluidnih naprav z možnostjo zmanjšanja testov in hkrati povečanja

eksperimentalne prepustnosti z uporabo celotnih celičnih poskusov v mikrofluidnih napravah

fluorescentno detekcijo produktov. Ker katalizirana reakcija s citokromom P450 v

reducirana ekvivalenta NADPH je potreba po elektronih bistvena za imobilizacijo encimov na

Slika 1 Citokrom P450 [2]

te naprave zelo redko uporabljajo imobilizirane redoks

senzorje tretje generacije, kar naredi ta pristop še bolj zanimi

, katerih glavna funkcija je kataliza organskih

, kot so lipidi, hormoni, droge

in druge strupene snovi. Najbolj pogosta reakcija, ki jo encimi katalizirajo je

R-H označuje

OH predstavlja hidroksilirani produkt te

NADP+ + H2O + SOH (S=substrat)

citokromov P450 je hem, zaradi česar jih uvrščamo med hemoproteine. Glede na to kj

citokromi nahajajo pa izhaja njihovo poimenovanje, v celici (cito-), in pa tudi po

krom), črka P pa se nanaša na pigment. Zaradi velikega

števila različnih citokromov P450 obstaja nomenklatura po kateri se ti encimi klasificirajo:

pomembnosti pri eliminaciji zdravil in

ostalih kemikalij iz telesa, kakor tudi v kemijski toksilogiji v povezavi z »drug

. Industrija je zato uporabila prednosti, ki so bile že

em področju mikrofluidnih naprav z možnostjo zmanjšanja testov in hkrati povečanja

kusov v mikrofluidnih napravah

fluorescentno detekcijo produktov. Ker katalizirana reakcija s citokromom P450 v

reducirana ekvivalenta NADPH je potreba po elektronih bistvena za imobilizacijo encimov na

Citokrom P450 [2]

te naprave zelo redko uporabljajo imobilizirane redoks

senzorje tretje generacije, kar naredi ta pristop še bolj zanimiv za

, katerih glavna funkcija je kataliza organskih

, kot so lipidi, hormoni, droge

in druge strupene snovi. Najbolj pogosta reakcija, ki jo encimi katalizirajo je

H označuje nereaktivno

OH predstavlja hidroksilirani produkt te

NADP+ + H2O + SOH (S=substrat). Kofaktor

citokromov P450 je hem, zaradi česar jih uvrščamo med hemoproteine. Glede na to kje se ti

), in pa tudi po

krom), črka P pa se nanaša na pigment. Zaradi velikega

klasificirajo:

pomembnosti pri eliminaciji zdravil in

drug« – »drug

. Industrija je zato uporabila prednosti, ki so bile že spoznane na

em področju mikrofluidnih naprav z možnostjo zmanjšanja testov in hkrati povečanja

kusov v mikrofluidnih napravah

fluorescentno detekcijo produktov. Ker katalizirana reakcija s citokromom P450 vsebuje dva

reducirana ekvivalenta NADPH je potreba po elektronih bistvena za imobilizacijo encimov na

4

te naprave zelo redko uporabljajo imobilizirane redoks

v za

, katerih glavna funkcija je kataliza organskih

, kot so lipidi, hormoni, droge

in druge strupene snovi. Najbolj pogosta reakcija, ki jo encimi katalizirajo je

nereaktivno

OH predstavlja hidroksilirani produkt te

Kofaktor

e se ti

), in pa tudi po

krom), črka P pa se nanaša na pigment. Zaradi velikega

pomembnosti pri eliminaciji zdravil in

drug«

na

em področju mikrofluidnih naprav z možnostjo zmanjšanja testov in hkrati povečanja

kusov v mikrofluidnih napravah

sebuje dva

reducirana ekvivalenta NADPH je potreba po elektronih bistvena za imobilizacijo encimov na

Page 6: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

5

amperiometričnih napravah za preučevanje njihovih interakcij z novimi potencialnimi

zdravili. V laboratoriju so do sedaj že uspeli izvesti nadzorovano kovalentno imobilizacijo

encimov na zlati elektrodi z uporabo samozbirajočih mono plasti za doseganje nadzirane

orientacije. V tem članku nasploh prvič uporabijo kombinacijo P450 elektrode z mikrofluidno

platformo za encimsko identifikacijo novih potencialnih zdravil. Prednosti uporabe

mikrofluidnega sistema so takoj razvidne: [6]

• Zmanjšanje volumna bistvenih snovi/spojin

• Povečanje prehodnosti

• Zmožnost odstranitve elektrode ali celotnega čipa

IZTISKANJE IN ČISŠČENJE

Človeški N-terminalno modificiran CYP3A4 zlijemo s flavodoxinom (FLD), da nastane

CYP3A4/FLD. Aktivnost in koncentracijo proteina so merili pri λ=450nm z uporabo

diferencialnega spektra (ε450=91mM-1cm-1). [6]

PRIPRAVA ELEKTRODE

200nm debelo plast SiO2 so termalno obdelali na silikonski plošči, ji dodali 50nm debelo plast

kroma za izboljšanje adhezije zlata na SiO2 ter nato z izparevanjem položili zlato na kromovo

plast. Vseskozi so komoro ohranjali na konstantni temperaturi T=300˚C ter nadzorovali

debelino nanosa zlate plasti na približno 250nm. Plast fotorezista je bila oblečena v zlato,

elektrode pa so bile vtisnjene v plast z optično masko. Odvečen material so odstranili s

kemijskim jedkanjem in plast na koncu prevlekli z SiO2. Med vrezovanjem površine plasti, z

namenom da izrežejo posamezne elektrode, so odstranili SiO2 in tako elektrode pripravili za

uporabo. Vsa izvedbena dela so bila izvedena v čistem okolju. Pred modifikacijo so očistili

zlate elektrode z etanolom in acetonom, na koncu pa še s kisikovo plazmo za 30 min pri

90W. [6]

Page 7: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

6

MODIFIKACIJE ELEKTRODE

Po čiščenju s plazmo so elektrode potopili v etanol za 20 min (odstranitev zlatovega oksida, ki

ga je tvorila plazma) sprali in zatem potopili elektrode v 1mM etanolno raztopino 6-

hexantiola in 7-merkaptoheptanojske kisline (1:1). Po koncu inkubacije so elektrode sprali še

z mili-Q vodo in 0,1 M MES (2-(N-morfolin)etansulfonska kislina) pufrom. Nato ponovno

potopili elektrode za 15 min v 10mM EDC (1-etil-3-(3-dimetilaminnanopropil)

carbodiamidom) in 25mM NHS (N-hidroksisukcinimid) v 0,1 MES pri pH=6.4, ter na koncu

sprali z mili-Q vodo. Kapljico 5mM proteina so položili na elektrodo in inkubirali pri T=4˚C

(1h) in visoki vlažnosti zaradi tega, da bi omejili izhlapevanje kapljice. [6]

ELEKTROKEMIJSKO MERJENJE

Merjenje je potekalo pri T=25˚C v 50 mM K2PO4 pri pH=7,4 z vsebujočo 500 mM raztopino

KCl. Zdravila so bila raztopljena v primernih topilih: quinidine v metanolu, v DMS-u pa

alosetron, ondansetron in nifedipine. Vsi izmerjeni potenciali so navedeni glede na SCE

elektrodo. Ciklični voltamogrami (CV) v območju od +0,1mV od -0,65mV z razmerjem

50mV/s so bili posneti vsakič ko so injicirali 50µl alikvota. [6]

Slika 2 Ciklična voltametrija

Page 8: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

7

REZULTATI in DISKUSIJE

Za doseganje natančne kontrole potenciala in omejitve nasprotnega efekta nespecifičnih

reakcij (interakcije s kisikom na površini elektrod), so uporabili tri elektrodno konfiguracijo

sestavljeno iz delovne, števne in referenčne elektrode. Za doseganje tega pogoja so naredili

načrt za dve mikrofluidni celici z

možnostjo, da bi prilagodili vstavitev

treh elektrod v mikrofluidno komoro.

Ti dve konfiguraciji se med seboj

razlikujeta v tem, da imata elektrodi,

bodisi na isti strani bodisi na dveh

paralelnih straneh. Prednost

neposredne bližine elektrod v

koplanarni postavitvi je v

kompenzaciji težav povezanih s

konstrukcijo, kot tudi z umazanijo delovne elektrode med samo pripravo. Na sliki je prikazana

dokončna in tudi najbolj ustrezna sestava mikrofluidne celice. Elektrodi sta na paralelni

ravnini z delovno elektrodo na dnu, referenčna in pa števna pa sta skupaj na vrhu usmerjeni

ena proti drugi, tako da ustvarita 25µl mikrofluidno komoro. Mikofluidna celica je sestavljena

iz treh delov, ki so narejeni iz PMMA. »Sendvič« struktura sestoji iz dveh plošč z

izdolbinami, ki določajo lokacijo elektrod na mikrofluidni komori in zagotavljajo točke

tesnjenja za spojitveni sistem. Osrednji del je sestavljen iz PDMS (poly dimetil sulfoksid)

zaradi njegove biokompitabilnosti in enostavne uporabe v začetnih fazah razvoja novega

prototipa. Zaradi vprašanja o puščanju injicirane tekočine je bil osrednji del zamenjan z

mikro obdelanim PMMA, tekoča vsebina pa je bila zavarovana še z O-obroči. Vstopni in

izstopni kanali so povezani preko nanovrat in PEEK kanala do odprtine za injiciranje

oziroma do odprtine za odpadke. Materiali elektrod so bistvenega pomena za izvedbo in

delovanje amperometričnih senzorjev zato jih je potrebno skrbno izbrati. [6]

Slika 3 Mikrofluidna celica[6]

Page 9: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

KARAKTERIZACIJA MIKROFLUIDNE CELICE

Mikrofluidna komora je nekakšen cilinder

kanalom,

so izvedli serijo eksperimentov z injiciranjem raztopine, ki je zelo elektrokemijsko aktivna

(npr. K3[Fe(CN)

KCl, nam da hiter in reverzibilen prenos elektrona na č

določevanje tekočinskega vnosa v celico. Zaporedno so dodajali 10

ciklične voltomamogra

karakteristike kontrolno nadzirane reverzibilne difuzije in vrh je dosegel maximum, ko je bilo

injicirano 30 µl raztopine. Iz te vrednosti in iz

50µl raztopine zagotavljalo ho

celico s koncentracijo določeno v injicirani standardni raztopini.

KARAKTERIZACIJA MIKROFLUIDNE CELICE

Mikrofluidna komora je nekakšen cilinder

kanalom, ki ležita na isti osi. Ker je natančen volumen komore odvisen od pritiska O

so izvedli serijo eksperimentov z injiciranjem raztopine, ki je zelo elektrokemijsko aktivna

[Fe(CN)6]), na n

KCl, nam da hiter in reverzibilen prenos elektrona na č

določevanje tekočinskega vnosa v celico. Zaporedno so dodajali 10

ciklične voltomamogra

karakteristike kontrolno nadzirane reverzibilne difuzije in vrh je dosegel maximum, ko je bilo

injicirano 30 µl raztopine. Iz te vrednosti in iz

µl raztopine zagotavljalo ho

celico s koncentracijo določeno v injicirani standardni raztopini.

KARAKTERIZACIJA MIKROFLUIDNE CELICE

Mikrofluidna komora je nekakšen cilinder

ležita na isti osi. Ker je natančen volumen komore odvisen od pritiska O

so izvedli serijo eksperimentov z injiciranjem raztopine, ki je zelo elektrokemijsko aktivna

]), na nederivatiziranih elektrodah. 10

KCl, nam da hiter in reverzibilen prenos elektrona na č

določevanje tekočinskega vnosa v celico. Zaporedno so dodajali 10

ciklične voltomamograme (CV) v območju +0,65 do

karakteristike kontrolno nadzirane reverzibilne difuzije in vrh je dosegel maximum, ko je bilo

injicirano 30 µl raztopine. Iz te vrednosti in iz

µl raztopine zagotavljalo homogeno distribucijo analita v elektrokemijsko mikrofluidno

celico s koncentracijo določeno v injicirani standardni raztopini.

Slika 5 Določitem optimalnega volumna injiciranja

Slika 4 Mikrofluidna celica

KARAKTERIZACIJA MIKROFLUIDNE CELICE

Mikrofluidna komora je nekakšen cilinder, volumna 25

ležita na isti osi. Ker je natančen volumen komore odvisen od pritiska O

so izvedli serijo eksperimentov z injiciranjem raztopine, ki je zelo elektrokemijsko aktivna

ederivatiziranih elektrodah. 10

KCl, nam da hiter in reverzibilen prenos elektrona na č

določevanje tekočinskega vnosa v celico. Zaporedno so dodajali 10

me (CV) v območju +0,65 do

karakteristike kontrolno nadzirane reverzibilne difuzije in vrh je dosegel maximum, ko je bilo

injicirano 30 µl raztopine. Iz te vrednosti in iz

mogeno distribucijo analita v elektrokemijsko mikrofluidno

celico s koncentracijo določeno v injicirani standardni raztopini.

Določitem optimalnega volumna injiciranja

Mikrofluidna celica

KARAKTERIZACIJA MIKROFLUIDNE CELICE

volumna 25µ

ležita na isti osi. Ker je natančen volumen komore odvisen od pritiska O

so izvedli serijo eksperimentov z injiciranjem raztopine, ki je zelo elektrokemijsko aktivna

ederivatiziranih elektrodah. 10

KCl, nam da hiter in reverzibilen prenos elektrona na čisti zlati površini in je zato

določevanje tekočinskega vnosa v celico. Zaporedno so dodajali 10

me (CV) v območju +0,65 do -0,2

karakteristike kontrolno nadzirane reverzibilne difuzije in vrh je dosegel maximum, ko je bilo

injicirano 30 µl raztopine. Iz te vrednosti in iz dimenzije komore, so

mogeno distribucijo analita v elektrokemijsko mikrofluidno

celico s koncentracijo določeno v injicirani standardni raztopini.

Določitem optimalnega volumna injiciranja

Mikrofluidna celica[4]

KARAKTERIZACIJA MIKROFLUIDNE CELICE

µl, opremljena z vtočnim in iztočnim

ležita na isti osi. Ker je natančen volumen komore odvisen od pritiska O

so izvedli serijo eksperimentov z injiciranjem raztopine, ki je zelo elektrokemijsko aktivna

ederivatiziranih elektrodah. 10mM raztopina

isti zlati površini in je zato

določevanje tekočinskega vnosa v celico. Zaporedno so dodajali 10µl

0,2V. Kot so pričakovali je CV pokazal

karakteristike kontrolno nadzirane reverzibilne difuzije in vrh je dosegel maximum, ko je bilo

imenzije komore, so

mogeno distribucijo analita v elektrokemijsko mikrofluidno

celico s koncentracijo določeno v injicirani standardni raztopini. [6]

Določitem optimalnega volumna injiciranja[6]

opremljena z vtočnim in iztočnim

ležita na isti osi. Ker je natančen volumen komore odvisen od pritiska O

so izvedli serijo eksperimentov z injiciranjem raztopine, ki je zelo elektrokemijsko aktivna

mM raztopina K3[Fe(CN)

isti zlati površini in je zato

µl K3[Fe(CN)

t so pričakovali je CV pokazal

karakteristike kontrolno nadzirane reverzibilne difuzije in vrh je dosegel maximum, ko je bilo

imenzije komore, so določili, da bi injiciranje

mogeno distribucijo analita v elektrokemijsko mikrofluidno

]

opremljena z vtočnim in iztočnim

ležita na isti osi. Ker je natančen volumen komore odvisen od pritiska O-bročev,

so izvedli serijo eksperimentov z injiciranjem raztopine, ki je zelo elektrokemijsko aktivna

[Fe(CN)6] v 0,1 M

isti zlati površini in je zato idealna za

[Fe(CN)6] in snemali

t so pričakovali je CV pokazal

karakteristike kontrolno nadzirane reverzibilne difuzije in vrh je dosegel maximum, ko je bilo

določili, da bi injiciranje

mogeno distribucijo analita v elektrokemijsko mikrofluidno

8

opremljena z vtočnim in iztočnim

bročev,

so izvedli serijo eksperimentov z injiciranjem raztopine, ki je zelo elektrokemijsko aktivna

] v 0,1 M

idealna za

] in snemali

t so pričakovali je CV pokazal

karakteristike kontrolno nadzirane reverzibilne difuzije in vrh je dosegel maximum, ko je bilo

določili, da bi injiciranje

mogeno distribucijo analita v elektrokemijsko mikrofluidno

Page 10: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

9

FT-IR KARAKTERIZACIJA P 450 3A4/FLD NA ZLATI ELEKTRODI

Spekter vzorca modificiran samo z SAM (self-assembled monolayer), je pokazal iste

rezultate kot spekter transmitance izotropičnega vzorca 6-heksantiola in 7-

merkaptoheptanosjke kisline:

• C-H : 2910 cm-1 in 2842 cm-1

• C=O : 1728 cm-1

• COO- : 1651 cm-1 in 1536 cm-1

• C-OH 1449 cm-1

• C-O : 1232 cm-1

Ko pa so SAM aktivirali z 1-etil-3-(3-dimetilaminnanopropil) carbodiamidom (EDC) in N-

hidroskisukcinamidom (NHS) in sledečo kovalentno povezavo P450 3A4/FLD, se je pojavila

nova absorpcija vezi pri 1649 cm-1 in 1531 cm-1. Pojavljena absorpcija je povezana z amidno

skupino in njenimi vezmi proteina, kar nam potrdi prisotnost encima na površini elektrode. [6]

LOČITEV SAM –SELF ASSEMLED MONOLAYER

Ko je katalitska reakcija P450 vodena preko aplikacij pri -550 mV, bi nekaj od testiranih

zdravil, ki imajo elektro aktivne lastnosti bile direktno reducirane na površino zlate elektrode.

Ko so nameravali uporabiti to platformo s prečiščenimi vzorci zdravil za testiranje v procesu

odkrivanja le teh, so ugotovili, da je to edini potencialni vir interferenc. Kakorkoli, da bi

znižali te interference, so ocenili da SAM ne deluje samo kot »anchoring« točka za protein

temveč tudi kot limitna meja difuzije molekul na zlato površino elektrode. Zaradi tega razloga

in izboljšanja lastnosti izolacije SAM, so uporabili dolge verige alken tiolov, kateri tvorijo

močne van der Waalsove vezi med dolgimi alifatskimi skupinami in tako naredijo to plast

Slika 6 FT-IR spekter[6]

Page 11: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

10

trdno in enotno. Na sliki je prikazano razmerje snemanja 50mV/s za 10mM K3[Fe(CN)6] v

1mM KCl na čisti zlati elektrodi v odnosnosti CV signala v isti raztopini samo z dodatkom

dolgih verig alken tiolov kot SAM. Izguba elektrokemijskega signala pri difuziji na elektrodi

modificirani z SAM potrdi uspešno vezavo distančnika z zaželjenimi lastnostmi izolacije. [6]

UČINEK P450 3A4/FLD MIKROFLUIDNE CELICE

Pokazali so, kako se imobiliziran CYP3A4/FLD odzove na prisotnost substrata po Michaelis-

Menten-oven mehanizmu, ko se funkcija obnaša hiperbolično, medtem ko se katalitski tokovi

večajo kot funkcija koncentracije. Ker so bile preračunane vrednosti kinetičnih parametrov v

okviru najdenih vrednosti v literaturi, so predlagali, da lahko P450 modificirano elektrodo

uporabijo za metabolično določevanje novih kemijskih spojin (določevanje novih zdravil).

Tako kot prej, so tu spremljali obnašanje P450 modificirane elektrode v mikrofluidni celici in

merili katalitske tokove kot funkcijo koncentracije specifičnih substratov. Za eksperiment

obnašanja P450 v mikrofluidni celici so izbrali quinidin, nifedipin, alosetron in ondansetron.

Delovni pufer so najprej sprali v mikrofluidno celico s ponavljajočimi injiciranji. Po vsakem

injiciranju so posneli CV v območju +0,1 do -0,65mV. Začetni postopek kalibracije omogoča,

da elektrokemijski signal postane stabilen še pred titracijo s substratom. Takšna kalibracija

zmanjša tudi napake med samim snemanjem/potekom signala. Ko je elektroda dosegla

stabilnost, so injicirali v mikrofluidno celico točno določene volumne pufra z večanjem

koncentracije spojin zdravil na ta način, da je bil volumen injiciranja nastavljen na 50µl. Po

vsakem injiciranju je sledila 1min inkubacije, da so omogočili vezavno ravnotežje pred

samim elektrokemijskem snemanjem. Da bi izločili vsakršne prispevke nespecifičnih redoks

reakcij, ki bi se pojavile tekom titracije, so merili kontrolne CV-je v odsotnosti substrata, z

ozirom na zadnji pridobljeni CV spekter. Potreba po snemanju serije potencialnih spektrov se

je izkazala za ključno stopnjo pri povečevanju razmerja signal-šum s stabilizacijo ozadja.

Normirani CV pokaže, da se po vsakem dodatku substrata, katodni tok izrazito poveča, kakor

je bilo za pričakovati iz domnev pri P450 katalitičnem ciklu. Vrednosti pri -550mV (max.) so

ekstrapolirali iz normiranega CV-ja in označili v koncentracijski funkciji. Točke so ustrezale

Michaelis-Menten-ovem mehanizmu in tako iz tega določili kinetične parametre. Izračunane

KM vrednosti za posamezen substrat so prikazane v tabeli. Vsa ta zdravila so dobro

preučevani substrati P450 3A4, tako da so bile njihove vrednosti določene na podlagi več

virov. Rekombinatni P450 3A4 so uporabili za quinidin in nifedipin medtem ko je primerjava

Page 12: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

11

rezultatov mikrosomov in hepatocitov za alosetron in ondasetron pokazala drugačne vrednosti

KM . Dobili so naslednje zaporedje: [6]

ondansteron = alosetron > nifedipine > quinidine

Slika 7 Tabela Km vrednosti [6]

ZAKLJUČEK

Predstavljen malo predelani integrirani mikrofluidni sistem je pokazal napredek predvsem v

smislu manjšega potrebnega volumna zdravil z možnostjo še nadaljnjega zmanjšanja.

Rezultati titracije s specifičnimi substrati so jasno pokazali kako elektrokemijska določitev

KM v mikrofuidni platformi pravilno razvršča afinitete za različna zdravila, kar odpira

možnost uporabe takšne naprave v zgodnjih stopnjah procesa odkrivanja novih zdravil. Tudi

uporaba avtomatskega vzorčevalnika, kot sistemske črpalke, predstavlja dvojno vlogo v

povečanju ponovljivosti in kontroliranju toka z dodanim potencialom, ter omogoča

zadovoljivo integracijo v avtomatskih visoko pretočnih sistemih, predvsem v farmacevtski

industriji. Prav tako predstavlja prednost v tem, da je senzor lahko odstranljiv. Predstavljena

platforma ni biosenzor namenjen detekciji analitov v kompleksnih spojinah, temveč naprava

za identifikacijo specifičnih metaboličnih parametrov (KM) čistih vzorcev novih potencialni

zdravil pri kontroliranih eksperimentalnih pogojih. Prednost sposobnosti integriranja

mikrofluidnega čipa z ostalimi napravami, amperometrična detekcija integrirana z HPLC-MS,

povečajo zbrane informacije o novih potencialnih zdravilih. Ta članek je predstavil pot za

imobilizacijo različnih citokromov P450 in za načrtovanje mikrofluidne platforme, kjer več

celic vsebuje elektrode z različnimi P450 in so med seboj povezane v serije, ki omogočajo

celoten metabolični »profiling« novih zdravil.

Page 13: Avtomatizirana analiza - University of Ljubljanaabra.fkkt.uni-lj.si/pihlar/AA2011_12/AAsem2012_AJeric.pdf · 2014. 7. 16. · ELEKTROKEMIJSKA MIKROFLUIDNA PLATFORMA PROFILIRANJA METABOLIZMA

12

VIRI

1. http://en.wikipedia.org/wiki/Microfluidics ;

2. http://sl.wikipedia.org/wiki/Citokrom_P450 ;

3. Simona Iskra, CYT3A4, Farmakogenomika in genska zdravila, FFA, 11.11.2004;

4. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac102480k ;

5. http://www.medenosrce.net/pogled.asp?ID=653 ;

6. A.Fantuzzi,E.Capria,L. Hang Mak, V.R. Dohbia, S. J. Sadeghi, S. Collins, G.Somers,

E. huq, G. Gilardi; An electrochemical mikrofluid platform for human P450 drug

metabolism profiling ; Analitical Chemistry,2010,82,10222-10227