Амперометрический ацетилхолинэстеразный сенсор для определения физостигмина

Р.Р. Давлетшина, А.Н. Иванов, Г.А. Евтюгин

Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

Полный текст PDF

Аннотация

Разработан биосенсор на основе ацетилхолинэстеразы, иммобилизованной посредством карбодиимидного связывания на стеклоуглеродном электроде, модифицированном углеродной сажей и фталоцианином кобальта. Подобраны рабочие условия формирования поверхностного слоя биосенсора и предложен протокол измерения сигнала биосенсора, связанного с медиаторным окислением продукта ферментативного гидролиза ацетилтиохолина. Показано, что иммобилизация фермента не снижает сродства активного центра к субстрату. Установлена возможность определения физостигмина как модельного обратимого ингибитора в интервале концентраций от 0.3 нМ до 10 мкМ с пределом обнаружения 1.8?10-10 М. Установлены кинетические параметры ферментативного гидролиза субстрата и конкурентного ингибирования фермента. Биосенсор может найти применение в контроле лекарственных препаратов антихолинэстеразного действия.

Ключевые слова: ацетилхолинэстераза, ингибитор фермента, биосенсор, определение обратимого ингибитора, фталоцианин кобальта, химически модифицированный электрод

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 17-03-00381).

Литература

  1. Arduini F., Amine A., Moscone D., Palleschi G. Biosensors based on cholinesterase inhibition for insecticides, nerve agents and aflatoxin B1 detection (review) // Microchim. Acta. – 2010. – V. 170, No 3–4. – P. 193–214. – doi: 10.1007/s00604-010-0317-1.
  2. Domínguez-Renedo O., Alonso-Lomillo M.A., Arcos-Martínez M.J. Determination of metals based on electrochemical biosensors // Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. – 2013. – V. 43, No 10. – P. 1042–1073. – doi: 10.1080/10934529.2011.627034.
  3. Gil E.D., de Melo G.R. Electrochemical biosensors in pharmaceutical analysis // Braz. J. Pharm. Sci. – 2010. – V. 46, No 3. – P. 375–391. – doi: 10.1590/S1984-82502010000300002.
  4. Arduini F., Amine A., Moscone D., Palleschi G. Reversible enzyme inhibition-based biosensors: Applications and analytical improvement through diagnostic inhibition // Anal. Lett. – 2009. – V. 42, No 9. – P. 1258–1293. – doi: 10.1080/00032710902901913.
  5. Lenigk R., Lam E., Lai A., Wang H., Han Y., Carlier P., Renneberg R. Enzyme biosensor for studying therapeutics of Alzheimer's disease // Biosens. Bioelectron. – 2000. – V. 15, No 9–10. – P. 541–547. – doi: 10.1016/S0956-5663(00)00078-6.
  6. Čolović M.B., Krstić D.Z., Lazarević-Pašti T.D., Bondžić A.M., Vasić V.M. Acetylcholinesterase inhibitors: Pharmacology and toxicology // Curr. Neuropharmacol. – 2013. – V. 11, No 3. – P. 315–335. – doi: 10.2174/1570159X11311030006.
  7. Гайнуллина Э.Т., Гуликова Д.К., Корнеев Д.О., Орешкин Д.В., Рыжиков С.Б., Фатеенков В.Н. Биосенсоры как средство мониторинга объектов окружающей среды на содержание фосфорорганических соединений нервно-паралитического действия // Журн. аналит. хим. – 2015. – Т. 70, Вып. 7. – С. 675–685.
  8. Pohanka M. Electrochemical biosensors based on acetylcholinesterase and butyrylcholinesterase. A review // Int. J. Electrochem. Sci. – 2016. – V. 11. – P. 7440–7452. – doi: 10.20964/2016.09.16.
  9. Amine A., Arduini F., Moscone D., Palleschi G. Recent advances in biosensors based on enzyme inhibition // Biosens. Bioelectron. – 2016. – V. 76. – P. 180–194. – doi: 10.1016/j.bios.2015.07.010.
  10. Pinto T., Lanctôt K.L., Herrmann N. Revisiting the cholinergic hypothesis of behavioral and psychological symptoms in dementia of the Alzheimer's type // Ageing Res. Rev. – 2011. – V. 10, No 4. – P. 404–412. – doi: 10.1016/j.arr.2011.01.003.
  11. Bentué-Ferrer D., Tribut O., Polard E., Allain H. Clinically significant drug interactions with cholinesterase inhibitors // CNS Drugs – 2003. – V. 17, No 13. – P. 947–963.
  12. Munoz-Torrero D. Acetylcholinesterase inhibitors as disease-modifying therapies for Alzheimers disease // Curr. Med. Chem. – 2008. – V. 15, No 24. – P. 2433–2455. – doi: 10.2174/092986708785909067.
  13. Singh M., Kaur M., Kukreja H., Chugh R., Silakari O., Singh D. Acetylcholinesterase inhibitors as Alzheimer therapy: From nerve toxins to neuroprotection // Eur. J. Med. Chem. – 2013. – V. 70. – P. 165–188. – doi: 10.1016/j.ejmech.2013.09.050.
  14. Milkani E., Lambert C.R., McGimpsey W.G. Direct detection of acetylcholinesterase inhibitor binding with an enzyme-based surface plasmon resonance sensor // Anal. Biochem. – 2011. – V. 408, No 2. – P. 212–219. – doi: 10.1016/j.ab.2010.09.009.
  15. Stoycheva M., Zlatev R. Bioelectrocatalytical studies of the effect of some pharmaceuticals on the acetylcholinesterase activity // Electroanalysis. – 1996. – V. 8, No 7. – P. 676–679. – doi: 10.1002/elan.1140080714.
  16. Rehák M., Šnejdárková M., Hianik T. Acetylcholine minisensor based on metal-supported lipid bilayers for determination of environmental pollutants // Electroanalysis. – 1997. – V. 9, No 14. – P. 1072–1077. – doi: 10.1002/elan.1140091408.
  17. İpek Y., Dinçer H., Koca A. Selective electrochemical pesticide sensor modified with “click electrochemistry” between cobalt phthalocyanine and 4-azidoaniline // J. Electrochem. Soc. – 2014. – V. 161, No 9. – P. B183–B190. – doi: 10.1149/2.0671409jes.
  18. Jung D.I., Shin Y.J., Lee E.S., Moon T., Yoon C.N., Lee B.H. Acetylcholinesterase (AChE)-catalyzed hydrolysis of long-chain thiocholine esters: Shift to a new chemical mechanism // Bull. Korean Chem. Soc. – 2003. – V. 24. – P. 65–69.
  19. Andreescu S., Barthelmebs L., Marty J.-L. Immobilization of acetylcholinesterase on screen-printed electrodes: Comparative study between three immobilization methods and applications to the detection of organophosphorus insecticides // Anal. Chim. Acta. – 2002. – V. 464, No 2. – P. 171–180. – doi: 10.1016/S0003-2670(02)00518-4.
  20. Bucur B., Danet A.F., Marty  J.-L. Versatile method of cholinesterase immobilisation via affinity bonds using Concanavalin A applied to the construction of a screen-printed biosensor // Biosens. Bioelectron. – 2004. – V. 20, No 2. – P. 217–225. – doi: 10.1016/j.bios.2004.02.024.
  21. Suprun E., Evtugyn G., Budnikov H., Ricci F., Moscone D., Palleschi G. Acetylcholinesterase sensor based on screen-printed carbon electrode modified with prussian blue // Anal. Bioanal. Chem. – 2005. – V. 383, No 4. – P. 597–604. – doi: 10.1007/s00216-005-0002-0.
  22. Goldstein A. The mechanism of enzyme-inhibitor-substrate reactions. Illustrated by thecholinesterase-physostigmine-acetylcholine system // J. Gen. Physiol. – 1944. – V. 27, No 6. – P. 529–580.
  23. Fedosseeva O.V., Uchida H., Katsube T., Ishimaru Y., Iida T. Novel type cholinesterase sensor based on SPV measurement technique // Sens. Actuators B. – 2000. – V. 65, No 1–3. – P. 55–57. – doi: 10.1016/S0925-4005(99)00437-2.
  24. Aldridge W.N., Reiner E. Acetylcholinesterase. Two types of inhibition by an organophosphorus compound: One the formation of phosphorylated enzyme and the other analogous to inhibition by substrate // Biochem. J. – 1969. – V. 115, No 2. – P. 147–162.

Поступила в редакцию

07.11.17

 

Давлетшина Регина Рудисовна, аспирант кафедры аналитической химии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: luckydav@mail.ru

Иванов Алексей Николаевич, кандидат химических наук, старший научный сотрудник отдела аналитической химии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: Alexey.Ivanov@kpfu.ru

Евтюгин Геннадий Артурович, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой аналитической химии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: Gennady.Evtugyn@kpfu.ru

 

Для цитирования: Давлетшина Р.Р., Иванов А.Н., Евтюгин Г.А. Амперометрический ацетилхолинэстеразный сенсор для определения физостигмина // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2018. – Т. 160, кн. 1. – С. 5–16.

For citation: Davletshina R.R., Ivanov A.N., Evtugyn G.A. Amperometric acetylcholinesterase biosensor for physostigmine determination. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2018, vol. 160, no. 1, pp. 5–16. (In Russian)

 

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.