BIOSENZORY ZALOŽENÉ NA CHOLINESTERASACH MIROSLAV POHANKA. Obsah. 1. Úvod. 2. Inhibitory cholinesteras

Podobné dokumenty
Worshop v rámci semináře: Cholinesterasy a jejich využití v konstrukci biosenzorů

+ H 2 O OH CHOLINESTERASOVÝ BIOSENZOR K DETEKCI NERVOVĚ-PARALYTIC- KÝCH LÁTEK. KAMILA VYMAZALOVÁ a,b, EMIL HALÁMEK b a JIŘÍ KADLČÁK a.

VLIV IONTŮ KOVŮ NA ACETYLCHOLINESTERÁZU INHIBOVANOU LÁTKAMI SÉRIE V

Akademie věd České republiky. Teze disertace k získání vědeckého titulu "doktor věd" ve skupině: Chemické vědy. Cholinesterasy v analýze a diagnostice

IMOBILIZACE ACETYLCHOLINESTERASY A KONSTRUKCE ELEKTROCHEMICKÉHO BIOSENZORU PRO STANOVENÍ TOXICKÝCH ORGANOFOSFÁTŮ

Závěrečná zpráva projektu specifického výzkumu zakázka 2115.

UŽITÍ ELLMANOVY METODY PRO STANOVENÍ AKTIVIT CHOLIN- ESTERAS PŘI IN VIVO HODNOCENÍ ÚČINKŮ REAKTIVÁTORŮ

Text zpracovala Mgr. Taťána Štosová, Ph.D PŘÍRODNÍ LÁTKY

Využití enzymů pro analytické a výzkumné účely

Doprava, zdraví a životní prostředí Brno,

2) Připravte si 7 sad po pěti zkumavkách. Do všech zkumavek pipetujte 0.2 ml roztoku BAPNA o různé koncentraci podle tabulky.

2) Připravte si 3 sady po šesti zkumavkách. Do všech zkumavek pipetujte 0.2 ml roztoku BAPNA o různé koncentraci podle tabulky.

Univerzita Pardubice. Fakulta chemicko-technologická. Inhibitory cholinesteras využívané ve zdravotnictví Michaela Klepeštová

UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE

Farmakoterapie Alzheimerovy nemoci

UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE


Možnosti biologického monitorování expozice pesticidům

Kombinovaná poškození při použití chemických zbraní

Biosenzory. Helena Uhrová

OPVK CZ.1.07/2.2.00/

MEMBRÁNY AMPEROMETRICKÝCH SENSORŮ

TABUN - NAVRAŤ PO PADESÁTI LETECH

INTERAKCE MODIFIKOVANÝCH ZLATÝCH NANOČÁSTIC S NUKLEOTIDY. Pavel Řezanka, Kamil Záruba, Vladimír Král

Program: Institucionální program pro veřejné vysoké školy pro rok 2016 Poskytovatel: Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

Chemie 2018 CAUS strana 1 (celkem 5)

LABIFEL: Laboratoře Biofyzikální Chemie a Elektrochemie

DIFERENCIACE NERVOVĚ PARALYTICKÝCH BOJOVÝCH CHEMICKÝCH LÁTEK POMOCÍ BIOCHEMICKÉ METODY DIFFERENTIATION OF NERVE AGENTS BY BIOCHEMICAL METHOD

Univerzita Pardubice. Fakulta chemicko-technologická

Inovativní výrobky a environmentální technologie (reg. č. CZ.1.05/3.1.00/ ) ENVITECH

Luminiscenční analýza Použití luminiscenční spektroskopie v analytické chemii

Metody testování humorální imunity

Is Oxime Fluorination the Proper Way to Increase Penetration of These Compounds in the Central Nervous System?

Uhlíkové struktury vázající ionty těžkých kovů

LABORATOŘ OBORU I. Příprava diagnostického testu na bázi lateral flow immunoassay ÚSTAV ORGANICKÉ TECHNOLOGIE (111)

Nanotechnologie a Nanomateriály na PřF UJEP Pavla Čapková

ČIŠTĚNÍ A PŘEDÚPRAVA PROCESNÍCH A ODPADNÍCH VOD Z VÝROBY PAPÍRU ELEKTROCHEMICKÝM - FENTONOVÝM PROCESEM

ENVIRONMENTÁLNÍ ASPEKTY UŽITÍ ORGANOFOSFOROVÝCH A KARBAMÁTOVÝCH PESTICIDŮ SCHVÁLENÝCH K UŽITÍ V ČESKÉ REPUBLICE

POPIS VYNÁLEZU К AUTORSKÉMU OSVĚDČENÍ. (И) (Bl) REPUBLIKA < 19 ) (6i) SKÁLA. LADISLAV RITDr., РВАНА

13. Léčiva vegetativního nervového systému (1)

Název: Vypracovala: Datum: Zuzana Lacková

Analytické znaky laboratorní metody Interní kontrola kvality Externí kontrola kvality

Katedra chemie FP TUL Chemické metody přípravy vrstev

POROVNÁNÍ ÚČINNOSTI SRÁŽENÍ REAKTIVNÍCH AZOBARVIV POUŽITÍM IONTOVÉ KAPALINY A NÁSLEDNÁ FLOKULACE AZOBARVIV S Al 2 (SO 4 ) 3.18H 2 O S ÚPRAVOU ph

KATALOG DIAGNOSTICKÝCH SETŮ S K A L A B 2018

jako markeru oxidativního

Výukový materiál zpracován v rámci projektu EU peníze školám Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/

Reaktivita karboxylové funkce

Regulace enzymové aktivity

UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE FARMACEUTICKÁ FAKULTA V HRADCI KÁLOVÉ KATEDRA FARMACEUTICKÉ CHEMIE A KONTROLY LÉČIV

ANAEROBNÍ FERMENTACE

NaLékařskou.cz Přijímačky nanečisto

Chemická reaktivita NK.

Cysteinové adukty globinu jako potenciální biomarkery expozice styrenu

Lékařská chemie a biochemie modelový vstupní test ke zkoušce

Klinická analýza. Lékaři se spoléhají na klinické testy. Testy rychlé, levné a low-tech. Prováděné laboratorními techniky či pacienty

ZŠ ÚnO, Bratří Čapků 1332

Toxikologie II. Kamil KUČA a Daniel JUN

Základy toxikologie a bezpečnosti práce: část bezpečnost práce

LABORATOŘ OBORU I ÚSTAV ORGANICKÉ TECHNOLOGIE (111) Použití GC-MS spektrometrie

ENZYMY A NUKLEOVÉ KYSELINY

Metody pro vyhodnocení experimentálních dat

LABORATOŘ OBORU. Hydrogenace na heterogenizovaných katalyzátorech. Umístění práce:

Aplikace nano-sorbentů pro stabilizaci Pb a Zn v kontaminované půdě

Procvičování aminokyseliny, mastné kyseliny

Automatická potenciometrická titrace Klinická a toxikologická analýza Chemie životního prostředí Geologické obory

VOJENSKÉ ZDRAVOTNICKÉ LISTY

UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE. Farmaceutická fakulta v Hradci Králové. s použitím readeru mikrotitračních destiček

ODSTRAŇOVÁNÍ KYANIDŮ Z MODELOVÝCH VOD

EnviroPen biosenzor pro detekci halogenovaných polutantů

UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE FARMACEUTICKÁ FAKULTA V HRADCI KRÁLOVÉ KATEDRA BIOLOGICKÝCH A LÉKAŘSKÝCH VĚD

Kinetika enzymově katalysovaných reakcí

Voltametrie (laboratorní úloha)

Radiační odstraňování vybraných kontaminantů z podzemních a odpadních vod

OPTIMALIZACE METODY ANODICKÉ ROZPOUŠTĚCÍ VOLTAMETRIE PRO ANALÝZU BIOLOGICKÝCH VZORKŮ S OBSAHEM RTUTI

NÁVOD K POUŽITÍ VÁPNÍK 600 KATALOGOVÉ ČÍSLO 207

AvantGuard Nová dimenze antikorozní ochrany

Stanovení esterů steroidů v krevním séru

Hmotnostní detekce biologicky významných sloučenin pro biotechnologie část 3 - Provedení štěpení proteinů a následné analýzy,

Fakulta životního prostředí v Ústí nad Labem. Pokročilé metody studia speciace polutantů. (prozatímní učební text, srpen 2012)

Ing.Branislav Ruttkay-Nedecký, Ph.D., Ing. Lukáš Nejdl

SLEDOVÁNÍ VÝSKYTU GENOTOXICKÝCH LÁTEK V POVODÍ ŘEKY SVRATKY V SOUVISLOSTI S URANOVÝM PRŮMYSLEM

Látky Seznamu 1 a jejich režim v České republice. Ing. Zdeňka Fabiánová, Ph.D. Státní úřad pro jadernou bezpečnost

Metody testování humorální imunity

Využití metody ELFA při stanovení bakterií Salmonella spp. v potravinách

Univerzita Pardubice Fakulta chemicko-technologická Katedra analytické chemie ANOVA. Semestrální práce

CALCIUM CARBONATE PARTICLES AND THEIR APPLICATIONS VÁPENATÉHO A JEJICH APLIKACE

RADIOIMUNOANALÝZA (RADIOIMMUNOASSAY) Převzato: sciencephoto.com Test krve hepatitis virus

Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti ELEKTROMIGRAČNÍ METODY

UNIVERZITA PARDUBICE FAKULTA ZDRAVOTNICKÝCH STUDIÍ DIPLOMOVÁ PRÁCE Bc. Kateřina Cvernová

IZOLACE, SEPARACE A DETEKCE PROTEINŮ I. Vlasta Němcová, Michael Jelínek, Jan Šrámek

Izolace nukleových kyselin

DIAGNOSTICKÝ KIT PRO DETEKCI MINIMÁLNÍ REZIDUÁLNÍ CHOROBY U KOLOREKTÁLNÍHO KARCINOMU

Transkript:

BIOSENZORY ZALOŽENÉ NA CHOLINESTERASACH MIROSLAV POHANKA Fakulta vojenského zdravotnictví, Univerzita obrany, Třebešská 1575, 500 01 Hradec Králové miroslav.pohanka@gmail.com Došlo 23.2.12, přijato 5.4.12. Klíčová slova: biosensor, acetylcholinesterasa, butyrylcholinesterasa, nervově paralytická látka, sarin, VX, imobilizace, Alzheimerova choroba Obsah 1. Úvod 2. Inhibitory cholinesteras 3. Metody stanovení enzymové aktivity 4. Imobilizace cholinesteras 5. Aplikace biosenzorů 6. Závěr Obr. 1. Význam acetylcholinu (ACh) v neurotransmisi a naznačení jeho interakce s acetylcholinovými receptory (AChR) muskarinového (m) a nikotinového (n) typu 1. Úvod V odborné literatuře jsou dobře popsány biosenzory obsahující některou ze dvou známých cholinesteras: acetylcholinesterasu (AChE, EC 3.1.1.7, též krevní cholinesterasa) nebo butyrylcholinesterasu (BChE, EC 3.1.1.8, též plazmatická cholinesterasa). Cholinesterasy jsou značně senzitivní na působení široké skupiny neurotoxických látek reprezentovaných například nervově paralytickými látkami využívanými ve vojenství, organofosforovými pesticidy v tzv. oxo formě, organofosforovými pesticidy v tzv. thio formě po předchozí oxidaci, karbamátovými pesticidy a celou skupinou léčiv různorodé chemické povahy, mezi něž patří např. fyzostigmin, neostigmin, rivastigmin, galantamin, huperzin, donepezil a jiné 1. AChE v organismu katalyzuje hydrolýzu neuromediátoru acetylcholinu na kyselinu octovou a cholin. Význam AChE je patrný z obr. 1 znázorňující princip cholinergní neurotransmise a celkový osud neuromediátoru acetylcholinu. Na rozdíl od AChE, BChE nemá známý fyziologický substrát a její význam v organismu je předmětem výzkumu na různých pracovištích. Fakt, že cholinesterasy mohou být inhibovány neurotoxickými látkami, byl v minulosti využíván k diagnostice otrav, kde se cholinesterasy ukázaly jako vysoce senzitivní a dostatečně specifické markery. Vedle výše zmíněného diagnostického významu jsou cholinesterasy považovány za ideální rozpoznávací prvek přírodního původu (tzv. rekogniční element). Kombinací s fyzikální senzorickou částí lze připravit funkční biosenzor 2. Cílem tohoto referátu je shrnout současné možnosti využití cholinesteras ke konstrukci biosenzorů a jejich využitelnost pro analýzu široké skupiny neurotoxických látek. 2. Inhibitory cholinesteras Inhibitory cholinesteras jsou široká skupina chemických látek vázajících se do některé z důležitých částí enzymu. Zatímco ireverzibilní a pseudoireverzibilní inhibitory se váží do tzv. estratické části aktivního centra, reverzibilní inhibitory pak mají afinitu k alfa anionickému místu, aromatickému hrdlu, nebo beta anionickému místu na povrchu enzymu 3. Mezi AChE a BChE je zásadní rozdíl ve struktuře aromatického hrdla a anionických míst, které předurčují selektivitu enzymů pro některé inhibitory 1. Například širší hrdlo BChE umožňuje prostup látky tetraisopropyl pyrofosforamidu a inhibici aktivního centra 4. Rozdílnou sensitivitu k AChE a BChE mají i látky využívané pro léčbu Alzheimerovy choroby. Nekompetitivní inhibitory AChE donepezil, huperzin (A a B), takrin a kompetitivní galantamin vykazují nulovou nebo sníženou (takrin) afinitu k BChE, zatímco vůči AChE působí jako silné inhibitory 5,6. Do periferního anionického místa AChE se vážou 121

i aflatoxiny a díky tomu působí jako silné a selektivní inhibitory tohoto enzymu 1. Aromatické hrdlo a beta anionické místo AChE obsahuje větší množství aromatických aminokyselin. Zejména se jedná o Tyr 70, Asp 72, Tyr 121, Trp 279 a Tyr 334 u beta anionického místa 7. Aromatické hrdlo AChE pak obsahuje 14 reziduí aromatických aminokyselin na místo 8 reziduí u BChE 8. Právě z důvodu vyššího zastoupení aromatických aminokyselin dochází k interakci kation mezi selektivním inhibitorem AChE a enzymem. Za zmínku stojí, že zatímco BChE má vyšší číslo přeměny pro štěpení většiny aryl acylamidů, esterů a thioesterů, AChE lépe konvertuje acetylcholin a acetylthiocholin. Acetyl- methyl-thiocholin a acetyl- -methyl-cholin jsou právě díky struktuře periferního anionického místa a aromatického hrdla konvertovány pouze AChE 1,9,10. Organofosforové a karbamátové inhibitory cholinesteras jsou látky vázající se esterovou vazbou na serin v estratické části aktivního centra. Jedná se o dvě skupiny látek: organofosforové a karbamátové inhibitory cholinesteras. Příkladem organofosforových inhibitorů mohou být vojensky využívané nervově paralytické látky typu G (sarin, tabun, soman, cyklosarin), typu V (například VX: S-[2-(diisopropylamino)ethyl]-O-ethyl-methylfosfonothioát), v EU nepovolený pesticid dichlorvos (2,2-dichlorethenyldimethylfosfát), metabolický produkt pesticidu dimethoatu (O,O-dimethyl-S-methylkarbamoylmethyl fosforodithioát) omethoát a látka fosetyl (aluminium tris-oethylfosfonát). Organofosforové inhibitory inhibují jak AChE, tak i BChE. Výjimkou je látka tetraisopropyl pyrofosforamid inhibující pouze BChE. Karbamátové inhibitory jsou např. farmakologicky využívané rivastigmin, neostigmin, pyridostigmin, současné pesticidy (desmedipham, propamocarb, fenoxycarb, methocarb, phenmedipham, pririmicarb, propamocarb) a dobře známý, avšak v České republice zakázaný karbofuran 11. Jak karbamátové, tak i organofosforové inhibitory podstupují shodný typ reakce, esterifikaci hydroxylové skupiny serinového rezidua v aktivním centru cholinesteras a tím znemožnění jejich funkce 12. Na rozdíl od ireverzibilních organofosforových inhibitorů jsou karbamáty tzv. pseudoireverzibilními inhibitory. Po vazbě na hydroxyl serinu dochází k spontánní hydrolýze karbamoylového rezidua a spontánnímu návratu aktivity enzymu 13. Inhibitory cholinesteras jsou v přehledné formě shrnuty jako tabulka I. 3. Metody stanovení enzymové aktivity Cholinesterasy vykazují aryl acylamidoasovou, esterasovou a thioesterasovou aktivitu. V minulosti byla zavedena řada metod vhodných pro stanovení aktivity cholinesteras a tím nepřímo pro stanovení přítomnosti inhibitorů cholinesteras pokud jsou cholinesterasy použity jako rekogniční element. Aryl acylamidasová aktivita cholinesteras je kupříkladu využita při stanovení založeném na o-nitracetanilidu jako chromogenním substrátu poskytujícím po hydrolýze barevný o-nitroanilin 14. Pro odhad aktivity cholinesteras v biologických vzorcích byla v minulosti zavedena tzv. Ellmanova metoda 15. Tato metoda je založena na hydrolýze acetylthiocholinu v případě AChE resp. butyrylthiocholinu v případě BChE na octovou resp. máselnou kyselinu a thiocholin. Thiocholin již spontánně reaguje s kyselinou 5,5 -dithio-bis-2-nitrobenzoovou za vzniku žluté kyseliny 5-thio-2-nitrobenzoové. Převažující trendy v konstrukci biosenzorů jsou však zaměřené na využití buď fluorogenních, nebo voltametricky aktivních substrátů cholinesteras 16,17. Fluorogenní substráty mohou být vhodně použity ke konstrukci optických biosenzorů s přístrojovou nebo vizuální detekcí přítomnosti inhibitorů cholinesteras. Například No a spol. 18 využili indoxyl acetát a indofenyl acetát pro konstrukci biosenzoru obsahujícího imobilizovanou AChE. Takto připravený biosenzor byl vhodný jak pro vizuální, tak instrumentální analýzu přítomnosti neurotoxických látek reprezentovaných chlorpyrifosem, karbofuranem a parathionem. Jiný biosenzor využívající indoxylacetát byl použit pro vizuální stanovení paraoxonu a neostigminu 19. Existuje i komerčně dostupný biosenzor Agri-Screen Ticket (Neogen Corporation, Lansing, Michigan, USA) založený na indoxylacetátu a imobilizované AChE. Mechanismus hydrolýzy indoxylacetátu cholinesterasou a následná oxidace na modré indigo je patrná z obr. 2. Tabulka I Přehled inhibitorů cholinesteras dle cit. 1,5-12 Látka Organofosforové inhibitory (např. nervově paralytické látky, pesticid dichlorvos) Inhibice AChE iso-ompa (organofosforový derivát) ne ano Inhibice BChE Karbamátové inhibitory (např. léčivo rivastigmin, pesticid karbofuran) ano ano Aflatoxiny, donepezil, galantamin, huperzin ano ne Takrin ano nízká 122 Mechanismus ano ano esterifikace serinového rezidua v aktivním centru enzymu, ireverzibilní inhibice esterifikace serinového rezidua v aktivním centru enzymu, pseudoireverzibilní inhibice interakce s anionickými místy

s následným stanovením vznikajícího zlata 23. Mechanismem reakce jednodušší, ale na preciznost imobilizačního postupu náročnější, jsou biosenzory indikující změnu ph. Např. biosenzory využívající iontově selektivní polem řízené tranzistory, v literatuře označované zkratkou IS- FET, jako převodníky mohou registrovat acidifikaci média, k níž dochází z důvodu uvolňování kyseliny octové z acetylcholinu nebo acetylthiocholinu 24,25. 4. Imobilizace cholinesteras Obr. 2. Princip hydrolýzy indoxylacetátu cholinesterasou a následná spontánní oxidace na indigo Pro konstrukci elektrochemických biosenzorů je vhodné využití thioesterové aktivity cholinesteras. Vznikající thiocholin může být snadno oxidován vloženým napětím za vzniku tail-to-tail dimeru thiocholinu (obr. 3). Oxidace thiocholinu umožňuje využít některý z voltametrických principů sledování enzymové reakce 20. Biosenzor využívající chronoamperometrické stanovení vznikajícího thiocholinu se ukázal vhodný např. pro stanovení nervově paralytických látek sarin, soman, cyklosarin, tabun a VX v laboratorních podmínkách 21. Použití acetylthiocholinu jako voltametricky aktivního substrátu je doporučeno i pro komerčně dostupný biosenzor AC1.AChE (BVT Technologies, Brno). Thiocholin je reaktivní sloučenina a lze ji využít k dalším spontánním reakcím, jakými jsou chemická reakce s povrchem zlaté elektrody použité pro stanovení SPR rezonanci povrchových plazmonů 22 či redukce kyseliny tetrachlorzlatité Cholinesterasy jsou globulární proteiny s relativně dobrou stabilitou. Zachycení cholinesteras na povrch fyzikálně-chemického převodníku může být provedeno více způsoby. Literárně jsou dobře popsány prosté sorpce, mechanické zachycení do membrán a kovalentní imobilizace. Při volbě imobilizačního postupu je třeba zohlednit i náročnost a nákladnost. Na rozdíl od většiny biosenzorů obsahujících enzym jsou cholinesterasy v rámci pozitivního stanovení některých inhibitorů (organofosforové) trvale inhibovány a biosenzor tak vlastně funguje jako jednorázový průkazník. Není proto nezbytně nutné zajistit dlouhodobou stabilitu spočívající v opakovaném stanovení analytu. V tomto úhlu pohledu jsou biosenzory obsahující cholinesterasu nepodobné např. biosenzorům s vázanou glukosaoxidasou, u kterých je naopak očekáváno, že je bude možné použít opakovaně a setkání se substrátem neovlivní následující měření 16. Nejdražší komponentou při konstrukci biosenzorů obsahujících cholinesterasu je právě imobilizovaný enzym. Ostatní komponenty biosenzoru obvykle tvoří méně než polovinu materiálních nákladů. Proto je nutné zvolit imobilizační postup takový, aby byl dostatečně šetrný k imobilizovanému enzymu a zároveň nedocházelo k snadnému vymytí enzymu např. při ponoření do analyzovaného roztoku. Nenáročné postupy mohou být paradoxně vhodnější ke konstrukci biosenzoru, než využití trendových metod. Komplexní porovnání jednoduché sorpce, precipitace glutaraldehydem, zachycení do želatinové membrány, zachycení na grafitové mikročástice a imobilizace metodou sol-gel vedla ke konstatování, že nejšetrnější a nejvhodnější pro konstrukci biosenzoru je precipitace glutaraldehydem. Druhým vhodným postupem pak byla prostá sorpce na platinovou elektrodu 26. Příklady imobilizačních postupů jsou shrnuty v tab. II. Obr. 3. Hydrolýza acetylthiocholinu pomocí AChE a následující oxidace thiocholinu vloženým napětím (U) 123

Tabulka II Zvolené imobilizační postupy AChE a dosažené limity detekce Imobilizační postup Analyzovaná látka Limit detekce Lit. Prostá sorpce na Pt elektrodu diisopropylfluorfosfát 35 nmol l 1 26 Precipitace glutaraldehydem na Pt elektrodu 29 nmol l 1 Sol-gel zachycení na uhlíkovou pastovou elektrodu parathion methyl 0,08 ppb 27 Afinitní zachycení histidinovou kotvou na niklové paraoxon ethyl 1 pmol l 1 28 nanočástice Vazba na zlaté nanočástice malathion, chlorpyrifos 1 nmol l 1 29 Trendem v konstrukci biosenzorů je rovněž dosáhnout co nejnižšího limitu detekce a ten je značně odvislý od zvolené metody zachycení cholinesteras, charakteru fyzikálně-chemického převodníku a dalších faktorů. Komplexní práce věnované porovnání významu imobilizačního postupu bohužel nejsou časté a většina autorů ve svých pracích optimalizuje a popisuje jeden konkrétní postup. Zároveň však mění i jiné parametry konstrukce biosenzoru a především materiál povrchu fyzikálně-chemického převodníku. Můžeme usuzovat, že imobilizační postupy jako je sol-gel zachycení na uhlíkovou pastovou elektrodu 27, afinitní zachycení histidinovou kotvou značené AChE na niklové nanočástice 28 a navázání na zlaté nanočástice 29 přinášejí jisté výhody. 5. Aplikace biosenzorů Ve většině případů jsou biosenzory založené na cholinesterasach testovány pro toxické formy pesticidů. Je to dáno tím, že se jedná o dobře dostupné toxické látky a k manipulaci s nimi není třeba mít speciální povolení nebo laboratorní vybavení, jak je to nutné pro práci s nervově paralytickými látkami. Oproti tomu většina organofosforových pesticidů, které jsou ve světě v současnosti používány, neinhibuje cholinesterasy přímo, ale až po metabolické aktivaci. Ze závěrů experimentu však vyplývá, že neexistuje optimálně připravený biosenzor a limity detekcí se několikanásobně liší pro jednotlivé analyzované látky 30,31. Lze očekávat, že biosenzory optimalizované a experimentálně ověřené pro modelové pesticidy nemusí být dostatečně citlivé pro použití v analýze nervově paralytických látek a léčiv. Hraje zde roli monovrstva s imobilizovaným enzymem představující mechanickou bariéru prostupu analytu. Vlastní inhibitory cholinesteras mají navíc rozdílný partiční/distribuční koeficient. Např. partiční koeficient (viz cit. 32 ) pro nervově paralytickou látku sarin je 0,30, pro cyklosarin 1,04 a pro soman 1,82. Jejich schopnost pronikat monovrstvou s enzymem a dostat se tak k aktivnímu centru enzymu se značně liší. Předpokládaný význam biosenzorů s navázanou cholinesterasou spočívá především v rychlé a levné analýze nervově paralytických látek, snadnému průkazu přítomnosti pesticidů v životním prostředí a analýze léků, jejichž účinná látka působí jako inhibitor cholinesteras. Nervově paralytické látky lze detegovat za využití biosenzorů s cholinesterasami s nízkým limitem detekce díky silné afinitě těchto inhibitorů k enzymu. White a Harmon 33 dokázali prokázat sarin v roztoku s limitem detekce 100 ppt resp. 250 pg látky ve vzduchu za pomoci optického biosenzoru obsahujícího AChE. V jiné práci 20 založené na použití elektrochemického biosenzoru s AChE zachycenou na Pt elektrodu byl prokázán sarin ve vodném roztoku s limitem detekce 588 pmol l 1. Avšak soman bylo možné analyzovat s limitem detekce přibližně dvacetinásobně vyšším: 10,7 nmol l 1. Z pesticidů je jako standardu věnována mimořádná pozornost látce dichlorvos. Jedná se o přímý inhibitor cholinesteras bez nutnosti metabolické aktivace a lze jej tedy snadno stanovit biosenzorem založeným na cholinesterase. I když v mnohých zemí, včetně České republiky, se od něj ustoupilo z důvodů vysoké toxicity vůči necílovým organismům, stále patří k pesticidům intenzivně využívaným po celém světě 34. Řada nově popsaných biosenzorů je tak testována právě na látce dichlorvos. Jako příklady lze uvést průtočný elektrochemický biosenzor prokazující dichlorvos již od koncentrací 0,8 mmol l 1 ve vodných roztocích 35. Sun a spol. 36 modifikovali skleněnou uhlíkovou elektrodu uhlíkovými nanovlákny a na ně chemicky vázali AChE. Připravený elektrochemický biosenzor prokázal dichlorvos s limitem detekce 3 g l 1. I když je značný zájem věnován látce dichlorvos, i ostatní sloučeniny jsou využívány jako standardy a funkčnost biosenzorů je na jejich stanovení ověřována. Takovou látkou je třeba paraoxon stanovený s limitem detekce 8,7 pmol l 1 pomocí průtočného senzorického systému 37, chlorfenvinfos stanovený s limitem detekce 115 nmol l 1 elektrochemickým biosenzorem obsahujícím AChE imobilizovanou na uhlíkové nanovlákna 38 a karbaryl elektrochemickým biosenzorem s grafitovým nanokompozitem s limitem detekce 0,7 ng ml 1 (cit. 39 ). Oblast, kde biosenzory s AChE doposud nenašly rozsáhlejší využití, je testování léčiv, jak tomu bylo např. nastíněno v rámci experimentu, v němž byly stanovovány rozdíly mezi takrinem a jeho 7-methoxy derivátem na AChE imobilizované na povrch sítotiskového senzoru 40. 124

6. Závěr Biosenzory založené na cholinesterasach jsou jednoduchá analytická zařízení vhodná k rychlému průkazu přítomnosti neurotoxických látek. Ačkoliv byla v minulosti připravena řada slibných analytických zařízení tohoto typu, výsledky nejsou dostatečně uspokojivé a probíhá další vylepšování a výzkum v oblasti jejich přípravy a použití. LITERATURA 1. Pohanka M.: Biomed. Pap. Olomouc 155, 219 (2011). 2. Andreescu S., Marty J. L.: Biomol. Eng. 23, 1 (2006). 3. Weiner L., Shnyrov V. L., Konstantinovkij L., Roth E., Ashani Y., Silman I.: Biochemistry 48, 563 (2009). 4. Adler M., Filbert M.G.: FEBS Lett. 267, 107 (1990). 5. Pohanka M.: J. Appl. Biomed. 9, 185 (2011). 6. Bonner L. T., Peskind E. R.: Med. Clin. North Am. 86, 657 (2002). 7. Johnson G., Moore S. W.: Curr. Pharm. Des. 12, 217 (2006). 8. Saxena A., Redman A. M., Jiang X., Lockridge O., Doctor B. P.: Biochemistry 36, 14642 (1997). 9. Plageman L. R., Puletti G. M., Skau K. A.: Exp. Biol. Med. (Maywood) 227, 480 (2002). 10. Zhukovskii Y. G.: J. Evol. Biochem. Physiol. 39, 281 (2003). 11. Vlček V., Pohanka M.: Chem. Listy 105, 908 (2011). 12. Marrs T. C.: Pharmac. Ther. 58, 51 (1993). 13. Darvesh S., Darvesh K. V., McDonald R. S., Mataija D., Walsh R., Mothana S., Lockridge O., Martin E.: J. Med. Chem. 51, 4200 (2008). 14. Masson P., Froment M. T., Gillon E., Nachon F., Darvesh S., Schopfer L. M.: Biochim. Biophys. Acta 1774, 1139 (2007). 15. Ellman G. L., Courtney D. K., Andreas V., Featherstone R. M.: Biochem. Pharmacol. 7, 88 (1961). 16. Pohanka M., Skládal P.: J. Appl. Biomed. 6, 57 (2008). 17. Pohanka M., Musilek K., Kuča K.: Curr. Med. Chem. 16, 1790 (2009). 18. No H. Y., Kim Y. A., Lee Y. T., Lee H. S.: Anal. Chim. Acta 594, 37 (2007). 19. Pohanka M.: Anal. Lett. 45, 367 (2012). 20. Pohanka M., Dobeš P., Drtinová L., Kuča K.: Electroanalysis 21, 1177 (2009). 21. Zhang W., Ding J., Qin Y., Liu D., Du D.: J. Nanosci. Nanotechnol. 10, 5685 (2010). 22. Liao S., Qiao Y., Han W., Xie Z., Wu Z., Shen G., Yu R.: Anal. Chem. 84, 45 (2012). 23. Raghu P., Swamy B. E., Reddy T. M., Chandrashekar B. N., Reddaiah K.: Bioelectrochemistry 84, 19 (2012). 24. Hai A., Ben-Haim D., Korbakov N., Cohen A., Shappir J., Oren R., Spira M. E., Yitchaik S.: Biosens. Bioelectron. 22, 605 (2006). 25. Flores F., Artigas J., Marty J. L., Valdes F.: Anal. Bioanal. Chem. 376, 476 (2003). 26. Pohanka M., Drobík O., Křenková Z., Žďárová- Karasová J., Pikula J., Cabal J., Kuča K.: Anal. Lett. 44, 1254 (2011). 27. Raghu P., Swamy B. E. K., Reddy T. M., Chandrashekar B. N., Reddaiah K.: Bioelectrochemistry 83, 19 (2012). 28. Ganesana M., Istamboulie G., Marty J. L., Noguer T., Andreescu S.: Biosens. Bioelectron. 30, 43 (2011). 29. Chauhan N., Narang J., Pundir C. S.: Int. J. Biol. Macromol. 49, 923 (2011). 30. Di Tuoro D., Portaccio M., Lepore M., Arduini F., Moscone D., Bencivenga U., Mita D. G.: New Biotechnol. 29, 132 (2011). 31. Chauhan N., Narang J., Pundir C. S.: Biosens. Bioelectron. 29, 82 (2011). 32. Czerwinski S. E., Skvorak J. P., Maxwell D. M., Lenz D. M., Baskin S. I.: J. Biochem. Mol. Toxicol. 20, 241 (2006). 33. White B. J., Harmon H. J.: Sens. Lett. 3, 36 (2005). 34. Binumkumar B. K., Gill K. D.: Indian J. Exp. Biol. 48, 697 (2010). 35. Melo E. I., Franco D. L., Afonso A. S., Rezende H. C., Brito-Madurro A. G., Madurro J. M., Coelho N. M. M.: Braz. Arch. Biol. Technol. 54, 1217 (2011). 36. Sun X., Wang X. Y., Zhao W. P.: Sens. Lett. 8, 247 (2010). 37. Marinov I., Ivanov Y., Vassileva N., Godjevargova T.: Sens. Actuators, B 160, 1098 (2011). 38. Oliveira A., Mascaro L. H.: Int. J. Anal. Chem. 2011, 974216. 39. Wang K., Liu Q., Dai L., Yan J., Ju C., Qiu B., Wu X.: Anal. Chim. Acta 695, 84 (2011). 40. Pohanka M., Kuča K., Kassa J.: Neuroendocrinol. Lett. 29, 755 (2008). M. Pohanka (Faculty of Military Health Service, University of Defense, Hradec Kralove): Biosensors Based on Cholinesterases The cholinesterase biosensors are analytical devices suitable for assay of cholinesterase inhibitors in the course of suppression of the biorecognition element activity. Both acetylcholinesterase and butyrylcholinesterase are used for their assay. The biosensors can be used for assay of organophosphorus and carbamate pesticides, nerve agents, drugs in Alzheimer s disease and myasthenia treatment. The review summarizes the knowledge of cholinesterases, their immobilization and inhibitors as well as shows examples of their activities. 125