Биосенсоры: основы и приложения - Тёрнер Э.
Скачать (прямая ссылка):
миниатюрные сенсоры должны обеспечивать: доступ в строго ограниченные
области в организме; возможность проведения измерений в малых объемах
физиологических жидкостей (например, интерстициальной жидкости) без их
расходования или удаления; быстрое получение результатов. Можно
предположить, что эти достоинства сенсоров можно было бы успешно
использовать, например, в ходе хирургической операции, для обнаружения
определенных веществ непосредственно в ткани или в сосуде с отсасываемой
из нее кровью. Это позволило бы локализовать опухоль, гарантировать
правильность удаления и даже установить ее биохимическую природу.
В этой главе мы попытались охватить основные клинические приложения раз-
19 1145
290
Глава 20
личных in vivo биосенсоров. Методологические проблемы применения
большинства из этих устройств рассмотрены в других главах этой книги или
в оригинальных работах.
20.2. Газы крови
У здорового человека парциальные давления кислорода и диоксида углерода в
артериальной крови поддерживаются в строго контролируемых пределах (ра02
= = 12,6-13,3 кПа; раС02 = 4,5-6,1 кПа). Однако при различных нарушениях
и болезненных состояниях, прежде всего воздействующих на сердечно-
сосудистую и дыхательную систему или регуляцию метаболизма (см. ниже),
измерения рЛ02 и раСО?, если не принять соответствующих мер по их
корректированию, могут приводить к серьезным, а иногда и фатальным
клиническим последствиям.
Нарушения, сопровождаемые отклонениями от нормы газового состава крови:
Дыхательная недостаточность у детей
Дыхательная недостаточность у взрослых
Хроническая закупорка легких
Сердечная недостаточность
Врожденные пороки сердца
Операции на сердце
Имеется три категории пациентов, для которых целесообразно ввести
непрерывный мониторинг газового состава крови: недоношенные
новорожденные, пациенты с острой сердечно-сосудистой или дыхательной
недостаточностью (особенно требующие искусственной вентиляции легких) и,
наконец, пациенты, подвергающиеся операции на открытом сердце.
20,2.1. Мониторинг газов крови у недоношенных новорожденных детей
Именно необходимость непрерывного слежения за сердечно-сосудистой и
дыхательной функцией недоношенных новорожденных и была основной причиной
разработки in vivo кислородных сенсоров. У многих недоношенных детей
легкие недоразвиты и не производят сурфактанта, поэтому их необходимо
вентилировать механически. Здесь следует иметь в виду, что, с одной
стороны, гипоксия может приводить к необратимому повреждению мозга, а, с
другой стороны, введение кислорода в высокой концентрации может вызывать
ретролентальную фиброплазию и приводить к слепоте. Таким образом, очень
важно выдерживать баланс, который не угрожает жизни и не может привести к
недопустимым осложнениям. В работе [37] предложен полярографический
кислородный электрод типа электрода Кларка, предназначенный для введения
в пупочную артерию новорожденных. Электрод состоит из серебряных анода и
катода, разделенных сухим электролитом - хлоридом калия (рис. 20.1). При
поддержании на электроде потенциала 750 мВ генерируемый ток
пропорционален парциальному давлению кислорода в крови. Сенсор этого типа
испытывали в клинических условиях [14, 44].
Возможности внутрисосудистого мониторинга имеют свои границы. Проблемы
могут быть связаны с повреждением зонда вследствие тромботического
осаждения на чувствительный элемент. Кроме того, как и любой прибор,
постоянно находящийся внутри сосуда, зонд может быть причиной эмболии и
местом проникновения инфекции. Поэтому более широко исследовались
альтернативные относительно неагрессивные методы детектирования.
Еще в 1851 г. Герлах показал, что кислород диффундирует через кожу. Но
первые измерения чрескожного парциального давления кислорода р1с02 были
проведены только через 100 лет [4]. Для полярографического определения
рОг в слое жидкости на
Применение in vivo сенсоров в медицине
291
Рис. 20.1. Катетериый 02-электрод. I провод к монитору; 2- двухкамерный
катетер из ПВХ; 3 - мембрана + электролит; 4-серебряный анод; 5 -
серебряный катод; б - эпоксидная смола; 7 - отверстие для ввода пробы.
коже авторы [4] использовали ртутный капающий электрод. Позднее, в 1957
г., в аналогичных экспериментах [47] применяли 02-электрод, разработанный
Кларком годом раньше. Было найдено, что если кожу нагревать так, чтобы
вызвать гиперемию, то после установления равновесия получается то же
значение р02, что и для артериального давления кислорода. В работе [21]
гиперемию волосистой части кожи головы новорожденных вызывали, действуя
на локальные участки производным никотиновой кислоты. Катетериый
платиновый 02-электрод прикрепляли к коже, при этом показания электрода
определенным образом соотносились со значениями артериального давления
кислорода. Опыт, приобретенный в работе с электродом этого типа,
стимулировал создание более практичных плоских сенсоров, имеющих форму
пуговки (рис. 20.2). Электрод, предложенный авторами [17], состоял из
