Introduction. Early sensitive and highly specific diagnosis is crucial for successful cancer therapy. The use of fluorescent hydrogels (FHG) makes it possible to develop versatile biosensors due to the increased binding capacity of biological capture and reporter molecules, sensitive fluorescence detection, and the flexibility of combining their structural and functional elements.
Aim. Analyzing the principles of designing biosensors based on FHG for the detection of cancer markers and the methodological approaches to their development, as well as summarizing and systematizing the data on the principles of detection and target signal generation used in these sensors.
Results. FHG represent 3D sensing platforms, i. e., structures that combine the reporter fluorescence function with biological capture molecules, allowing the unique optical properties of fluorescent nanocrystals at the macro level to be preserved. The porous structure of hydrogels increases the active surface area of biosensors for 3D immobilization of fluorescent labels and biological capture molecules, while preserving the structure of these molecules, which ensures specific binding of the detected molecules of the sample. This ensures a higher sensitivity compared with the traditional methods of immunoenzymatic and immunochromatographic analyses. Not only the traditionally used antibodies, but also enzymes and glycoproteins, aptamers and oligonucleotides, as well as polymers obtained by molecular imprinting, can serve as biological capture molecules, which extends the range of specifically detectable analytes.
Conclusion. The review presents examples of biosensors based on FHG intended for the detection of cancer markers and describes approaches to the preparation of FHG and immobilization of biological capture molecules, as well as principles of generation of the detected optical signal. The main advantages of fluorescent hydrogel biosensors over the classical tests used for quick diagnosis of cancer are shown.
Введение. Ранняя чувствительная и высокоспецифичная диагностика является одной из важных составляющих успешной терапии онкологических заболеваний. Флуоресцентные гидрогели позволяют создавать универсальные биосенсоры благодаря повышенной емкости связывания биологических распознающих и репортерных молекул, возможности проведения высокочувствительной флуоресцентной детекции, а также гибкости комбинирования их структурных и функциональных элементов.
Цель исследования – рассмотреть принципы дизайна и методические подходы к созданию биосенсоров на основе флуоресцентных гидрогелей для детекции онкомаркеров, а также обобщить и систематизировать данные по применяемым в них принципам детекции и генерации детектируемого сигнала.
Результаты. Флуоресцентные гидрогели являются примером трехмерных сенсорных платформ – структур, объединяющих репортерную флуоресцентную функцию с биологическими распознающими молекулами, которые позволяют сохранить уникальные оптические свойства флуоресцентных нанокристаллов на макроуровне. Пористая структура гидрогелей позволяет увеличить активную площадь поверхности биосенсоров для трехмерной иммобилизации флуоресцентных меток и биологических распознающих молекул, при этом сохраняя структуру последних для специфического связывания детектируемых молекул образца, что обеспечивает чувствительность, превосходящую традиционные методы иммуноферментного и иммунохроматографического анализа. В качестве биологических распознающих молекул могут выступать не только традиционно применяемые антитела, но и ферменты и гликопротеины, аптамеры и олигонуклеотиды, а также полимеры, полученные методом молекулярного импринтинга, что расширяет круг специфически детектируемых аналитов.
Заключение. В обзоре представлены примеры биосенсоров на основе флуоресцентных гидрогелей для детекции маркеров онкологических заболеваний, изложены подходы к получению этих гелей, иммобилизации биологических распознающих молекул и принципы генерации оптического детектируемого сигнала. Показаны основные преимущества флуоресцентных гидрогелевых биосенсоров перед классическими тестами, применяемыми в области экспресс-диагностики онкологических заболеваний.