Наноструктурные точечно-контактные сенсоры для диагностики канцерогенных штаммов бактерии Helicobacter pylori

Г. В. Камарчук, А. П. Поспелов, Д. А. Гарбуз, В. А. Гудименко, Л. В. Камарчук, А. С. Заика, А. М. Плетнев, А. В. Кравченко

Анотація


Актуальность. На сегодняшний день вопрос детектирования различных штаммов бактерии H. pylori приобрел большую значимость ввиду распространенности этой бактерии по всему миру и той роли, которую она играет в развитии множества серьезных желудочных и внежелудочных заболеваний. При этом не все штаммы бактерии H. pylori являются агрессивными и требуют лечения с использованием антибиотиков. Таким образом, возникает вопрос о необходимости дифференциации этих бактерий по их факторам вирулентности. Недорогой и общедоступной технологией для решения этой задачи могут стать современные сенсорные устройства.

Цель работы. Цель работы состоит в разработке сенсорного устройства нового типа для дифференциального распознавания штаммов H. pylori на основе анализа смеси газов, выдыхаемых человеком. Такое устройство может быть создано на основе точечно-контактного газового сенсора.

Материалы и методы. Фундаментальные свойства точечных контактов, используемых в микроконтактной спектроскопии Янсона, позволили сформировать на основе соединений TCNQ точечно-контактную мезоскопическую матрицу, чувствительную к малым концентрациям веществ в составе сложной газовой смеси. Анализируемым веществом служил газ, выдыхаемый человеком.

Результаты. Газочувствительные точечно-контактные сенсоры на основе соединений TCNQ имеют сложные кривые отклика с двумя экстремумами, которые можно называть спектральными профилями сложной газовой смеси. Используя спектральные профили выдыхаемого газа различных пациентов можно дифференцировать различные состояния организма человека, вызванные бактерией H. pylori.

Выводы. Показано, что продукты метаболизма канцерогенных штаммов бактерии H. pylori доминантно влияют на электропроводность сенсора и предопределяют поведение особенностей на кривых отклика сенсоров. В результате, используя точечно-контактные сенсоры на основе соединений TCNQ возможно дифференцировать штаммы H. pylori по их канцерогенному потенциалу.


Ключові слова


H. pylori; точечный контакт; микроконтактная спектроскопия Янсона; TCNQ; кластерный анализ; выдыхаемый газ; мезоскопическая структура

Повний текст:

PDF (Russian)

Посилання


Malfertheiner, P., Megraud, F., O’Morain, C. A., Atherton, J., Axon, A. T., Bazzoli, F., Kuipers, E. J. (2012). Management of Helicobacter pylori infection-the Maastricht IV/ Florence Consensus Report. Gut, 61(5), 646-664. doi: 10.1136/gutjnl-2012-302084.

Garza-González, E., Perez-Perez, G.I., Maldonado-Garza, H.J. & Bosques-Padilla, F.J. (2014). A review of Helicobacter pylori diagnosis, treatment, and methods to detect eradication. World J Gastroenterol, 20(6), 1438-1449. doi: 10.3748/wjg.v20.i6.1438.

IARC Helicobacter pylori Working Group (2014). Helicobacter pylori Eradication as a Strategy

for Preventing Gastric Cancer. Lyon, France: International Agency for Research on Cancer

(IARC Working Group Reports, No. 8). Available from: http://www.iarc.fr/en/publications/pdfs-online/wrk/wrk8/Helicobacter_pylori_Eradication.pdf.

Graham, D.Y. (2000). Helicobacter pylori infection is the primary cause of gastric cancer. J Gastroenterol, 35(12), 90-97.

Wroblewski, L.E., Peek, R. M., Jr. & Wilson, K. T. (2010). Helicobacter pylori and gastric cancer: factors that modulate disease risk. Clinical microbiology reviews, 23(4), 713-739. doi: 10.1128/CMR.00011-10.

Palframan, S.L., Kwok, T., Gabriel, K. (2012). Vacuolating cytotoxin A (VacA), a key toxin for Helicobacter pylori pathogenesis. Front Cell Infect Microbiol., 2(92), 9. doi: 10.3389/fcimb.2012.00092.

Costello, B.d.L., Amann, A., Al-Kateb, H., Flynn, C., Filipiak, W., Khalid, T., Ratcliffe, N. M. (2014). A review of the volatiles from the healthy human body. J. Breath Res, 8(1), 014001 (29 pp). doi: 10.1088/1752-7155/8/1/014001.

Smith, D. & Španěl, P. (2005). Selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS) for on-line trace gas analysis. Mass Spectrom Rev., 24(5), 661-700. DOI: 10.1002/mas.20033.

Ishimaru M., et al. (2008). Analysis of volatile metabolites from cultured bacteria by gas chromatography/atmospheric pressure chemical ionization-mass spectrometry. J Breath Res., 2(3), 037021. doi: 10.1088/1752-7155/2/3/037021.

Graham D.Y., et al. (1987). Campylobacter pylori detected noninvasively by the 13C-urea breath test. Lancet, 1(8543), 1174-1177.

Iniewski, K. (2013). Smart Sensors for Industrial Applications. Devices, Circuits, and Systems. Boca Raton: CRC Press.

Kamarchuk, G.V., Pospelov, A.P. & Kushch, I.G. (2013). Sensors for exhaled gas analysis: an analytical review. In Amann, A. & Smith, D. (Eds), Volatile biomarkers: non-invasive diagnosis in physiology and medicine (pp. 265-300). Amsterdam: Elsevier.

Kamarchuk, G.V., Pospelov, A.P., Kamarchuk, L.V. & Kushch, I.G. (2015). Point-Contact Sensors and Their Medical Applications for Breath Analysis: A Review. In V. A. Karachevtsev (Ed.), Nanobiophysics: Fundamentals and Applications (pp. 327-379). Philadelphia: Pan Stanford Publishing Pte. Ltd.

Kushch, I., Korenev, N., Kamarchuk, L., Pospelov, A., Kravchenko, A., Bajenov, L., Kamarchuk G. (2015). On the importance of developing a new generation of breath tests for Helicobacter pylori detection J. Breath Res., 9(4), 047109 (15 pp). doi: 10.1088/1752-7155/9/4/047111.

Naidyuk, Yu.G. & Yanson, I.K. (2005). Point-contact spectroscopy. New York: Springer.

Kamarchuk, G.V., Pospelov, O.P., Yeremenko, A.V., Faulques, E. & Yanson, I.K. (2006). Point-Contact Sensors: New Prospects for a Nanoscale Sensitive Technique. Europhys. Lett., 76(4), 575-581. doi: 10.1209/epl/i2006-10303-6.

Kamarchuk, G.V., Kolobov, I.G., Khotkevich, A.V., Yanson, I.K., Pospelov, A.P., Levitsky, I.A. & Euler W.B. (2008). New chemical sensors based on point heterocontact between single wall carbon nanotubes and gold wires. Sensors and Actuators B., 134(2), 1022-1026. doi: 10.1016/j.snb.2008.07.012

Kulik, I. O., Omelyanchuk, A. N. & Shekhter, R. I. (1977). Electric conductivity of point contacts and spectroscopy of phonons and impurities in normal metals. Fizika Nizkikh Temperatur, 3, 1543-1558.

Kravchenko, A.V., Starodub, V.A., Kazachkov, A.R., Khotkevich, A.V., Pyshkin, O.S. & Kamarchuk G.V. (2004). Spectral and electrophysical characteristics of anion-radical salts of TCNQ and methyl-TCNQ with N-alkylpirazinium cations. In E.C. Faulques, D.L. Perry,. & A.V. Yeremenko (Eds.), Spectroscopy of Emerging Materials (pp. 319-330). Boston/Dordrecht/London: Kluwer Academic Publishers.

Pyshkin, O., Kamarchuk, G., Yeremenko, A., Kravchenko, A., Pospelov, А., Alexandrov, Yu. & Faulques E. (2011). Evidence for sensory effects of a 1D organic conductor under gas exposure. J. Breath Res., 5(1), 016005 (9 pp). doi:10.1088/1752-7155/5/1/016005

Pospelov, A. P., Kushch, I. G., Alexandrov, Yu. L., Pletnev, A. M. & Kamarchuk, G. V. (2007). Active type sensors for breath gas analysis. Sensor Electronics and Microsystem Technologies, 2, 49-54.

Chubov, P. N., Yanson, I. K. & Akimenko, A. I. (1982). Electron-phonon interaction in aluminum point contacts. Sov. J. Low Temp. Phys., 8, 32-42.

Khotkevich, A.V., Yanson, I.K. (1995). Atlas of Point Contact Spectra of Electron-Phonon Interactions in Metals. Boston/Dordrecht/London: Kluwer Academic Publishers.

Declaration patent of Ukraine „Solid-state gas sensor” #17424, Bull. #9, 15.09.2006.

Kushch, I.G., Korenev, N.M., Kamarchuk, L.V., Pospelov, A.P., Alexandrov, Y.L. & Kamarchuk G.V. (2011). Sensors for Breath Analysis: An Advanced Approach to Express Diagnostics and Monitoring of Human Diseases. In S. Mikhalovsky (Ed.), Biodefence. NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology (pp. 63-75). Luxembourg: Springer Science+Business Media.

Jeffers, J.N.R. (1978). An introduction to systems analysis: with ecological applications. London: Edward Arnold.

Orlov, A. I. (2004). Mathematics of Chance: Probability and Statistics. Moscow: MZ-Press.


Література


Malfertheiner P., Megraud F., O’Morain C. A., Atherton J., Axon A. T., Bazzoli F., Gensini G. F., Gisbert J. P., Graham D. Y., Rokkas T., El-Omar E. M., Kuipers E. J. Management of Helicobacter pylori infection-the Maastricht IV/ Florence Consensus Report // Gut. 2012. Vol. 61(5). P. 646-664.

Garza-González E., Perez-Perez G.I., Maldonado-Garza H.J., Bosques-Padilla F.J. A review of Helicobacter pylori diagnosis, treatment, and methods to detect eradication // World J Gastroenterol. 2014. Vol. 20(6). P. 1438-1449.

IARC Working Group. Helicobacter pylori Eradication as a Strategy for Preventing Gastric Cancer // Lyon: International Agency for Research on Cancer. 2014. (IARC Working Group Reports,Vol. 8). P. 181 Available from: http://www.iarc.fr/en/publications/pdfs-online/wrk/wrk8/Helicobacter_pylori_Eradication.pdf.

Graham D.Y., Helicobacter pylori infection is the primary cause of gastric cancer // J Gastroenterol. 2000. Vol. 35(12). P. 90-97.

Wroblewski L.E., Peek R. M., Jr., Wilson K. T. Helicobacter pylori and gastric cancer: factors that modulate disease risk // Clinical microbiology reviews. 2010. Vol. 23(4). P. 713-739.

Palframan S.L., Kwok T., Gabriel K. Vacuolating cytotoxin A (VacA), a key toxin for Helicobacter pylori pathogenesis // Front Cell Infect Microbiol. 2012. Vol. 2(92). P. 9.

Costello B.d.L., Amann A., Al-Kateb H., Flynn C., Filipiak W., Khalid T., Osborne D., Ratcliffe N.M. A review of the volatiles from the healthy human body // J. Breath Res. 2014. Vol. 8(1). P. 014001 (29 pp).

Smith D., Španěl P. Selected ion flow tube mass spectrometry (SIFT-MS) for on-line trace gas analysis // Mass Spectrom Rev. 2005. Vol. 24(5). P. 661-700.

Ishimaru M., et al. Analysis of volatile metabolites from cultured bacteria by gas chromatography /atmospheric pressure chemical ionization-mass spectrometry // J Breath Res. 2008. Vol. 2(3). P. 037021.

10. Graham D.Y., et al. Campylobacter pylori detected noninvasively by the 13C-urea breath test // Lancet. 1987. Vol. 1(8543). P. 1174-1177.

11. Iniewski K. Smart Sensors for Industrial Applications. Devices, Circuits, and Systems. Boca Raton: CRC Press, 2013. 598 p.

12. Kamarchuk G.V., Pospelov A.P., Kushch I.G. Sensors for exhaled gas analysis: an analytical review, in Volatile biomarkers: non-invasive diagnosis in physiology and medicine / eds. A. Amann and D. Smith. Amsterdam: Elsevier, 2013. P. 265-300.

13. Kamarchuk G.V., Pospelov A.P., Kamarchuk L.V., Kushch I.G. Point-Contact Sensors and Their Medical Applications for Breath Analysis: A Review, In Nanobiophysics: Fundamentals and Applications / ed. V.A. Karachevtsev. Philadelphia: Pan Stanford Publishing Pte. Ltd., 2015. P. 327-379.

14. Kushch I., Korenev N., Kamarchuk L., Pospelov A., Kravchenko A., Bajenov L., Kabulov M., Amann A., Kamarchuk G., On the importance of developing a new generation of breath tests for Helicobacter pylori detection // J. Breath Res. 2015. Vol. 9(4). P. 047109 (15 pp).

15. Naidyuk Yu.G., Yanson I.K. Point-contact spectroscopy. New York: Springer, 2005. 300 p.

16. Kamarchuk G.V., Pospelov O.P., Yeremenko A.V., Faulques E., Yanson I.K. Point-Contact Sensors: New Prospects for a Nanoscale Sensitive Technique // Europhys. Lett. 2006. Vol. 76(4). P. 575-581.

17. Kamarchuk G.V., Kolobov I.G., Khotkevich A.V., Yanson I.K., Pospelov A.P., Levitsky I.A., Euler W.B. New chemical sensors based on point heterocontact between single wall carbon nanotubes and gold wires // Sensors and Actuators B. 2008. Vol. 134 (2). P. 1022-1026.

18. Кулик И.О., Омельянчук А.Н., Шехтер Р.И. Электропроводность точечных микроконтактов и спектроскопия фононов и примесей в нормальных металлах // ФНТ. 1977. Т. 3, № 12. C. 1543-1558.

19. Kravchenko A.V., Starodub V.A., Kazachkov A.R., Khotkevich A.V., Pyshkin O.S., Kamarchuk G.V. Spectral and electrophysical characteristics of anion-radical salts of TCNQ and methyl-TCNQ with N-alkylpirazinium cations, in Spectroscopy of Emerging Materials / eds. E.C. Faulques, D.L. Perry, A.V. Yeremenko. Boston / Dordrecht / London: Kluwer Academic Publishers, 2004. P. 319-330.

20. Pyshkin O., Kamarchuk G., Yeremenko A., Kravchenko A., Pospelov А., Alexandrov Yu., Faulques E. Evidence for sensory effects of a 1D organic conductor under gas exposure // J. Breath Res. 2011. Vol. 5(1). P. 016005 (9 pp).

21. Поспелов А.П., Кущ Е.Г., Александров Ю.Л., Плетнев А.М., Камарчук Г.В. Сенсоры активного типа для анализа выдыхаемого газа // Сенсорна електроніка і мікросистемні технології. 2007. № 2. C. 49-54.

22. Чубов П.Н., Янсон И.К., Акименко А.И. Электрон-фононное взаимодействие в алюминиевых микроконтактах // ФНТ. 1982. Т. 8. № 1. С. 64-80.

23. Khotkevich A.V., Yanson I.K. Atlas of Point Contact Spectra of Electron-Phonon Interactions in Metals. Boston / Dordrecht / London: Kluwer Academic Publishers, 1995. 168 p.

24. Твердотільний газовий сенсор: пат. 17424 Україна № U 2006 04253 ; заявл. 17.04.2006 ; опубл. 15.09.2006, Бюл. № 9. 90 c.

25. Kushch I.G., Korenev N.M., Kamarchuk L.V., Pospelov A.P., Alexandrov Y.L., Kamarchuk G.V. Sensors for Breath Analysis: An Advanced Approach to Express Diagnostics and Monitoring of Human Diseases, in Biodefence. NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology, A.K. / ed. S. Mikhalovsky. Luxembourg: Springer Science+Business Media, 2011. P. 63-75.

26. Jeffers J.N.R. An introduction to systems analysis: with ecological applications. London: Edward Arnold, 1978. 198 p.

27. Орлов А.И. Математика случая: Вероятность и статистика - основные факты. Москва: МЗ-Пресс, 2004. 110 с.


Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.


(c) 2017 Дмитрий Александрович Гарбуз

URL ліцензії: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

61022, Україна, Харків, м. Свободи, 4, ХНУ імені В. Н. Каразіна, факультет радіофізики, біомедичної електроніки та комп’ютерних систем, кафедра молекулярної і медичної біофізики, к. VII-1б (7 поверх), тел.: +380 (57) 707-55-76, е-mail: biofiz-visnyk@karazin.ua