avtomatizirana analiza - university of...
TRANSCRIPT
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
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
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
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
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
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]
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
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]
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
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]
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
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.
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