Protein-material interactions in human body fluids : Literary Review

Abstract

Biofouling is a phenomenon where proteins attach to the surfaces of materials, which happens inside a living system like the human body. Protein adsorption is a significantly limiting factor for the use of sensors, as it reduces their accuracy and the duration of use. Proteins gather at the surface of the material, and the distance between the sensor and analyte grows. The process of biofouling is generally quite well understood, but unfortunately, there are many blind spots in the available research. Not all the proteins, especially the smaller ones, and their roles are known. There are currently no universal solutions to prevent biofouling. This study aims to investigate the primary proteins causing biofouling in biomedical devices and study their properties. The available literature on the topic was gone through in a quasisystematic manner. Separate search strings were used to identify proteins involved in biofouling for blood, sweat, lacrimal fluid, and urine. 19 papers were chosen for this study, 15 of which were focused on blood. Albumin is the most numerous protein causing biofouling in both blood and lacrimal fluid. Other main proteins involved are of similar size to albumin, about 50 to 100 kDa. There is also a complex system of smaller proteins that quickly adsorb and then desorb from the surface, which partly regulates the behavior of the bigger proteins. Sweat and urine do not seem to have biofouling caused by proteins, because of their low concentration. Biofouling is an intricate process where the parts involved influence each other in many ways, many of which are still not very well understood. The smaller proteins look particularly promising as a potential target of future research, as it seems that their behavior might also contribute to the ability of the larger proteins to attach properly.

Biolikaantuminen on ilmiö, missä proteiinit kiinnittyvät materiaalien pinnoille. Sitä tapahtuu biologisissa järjestelmissä, kuten ihmiskehossa. Proteiinien adsorboituminen on merkittävä rajoittava tekijä sensoreiden käytölle, sillä se vähentää niiden tarkkuutta ja käyttöikää. Tämä johtuu siitä, että proteiinit kertyvät materiaalin pinnalle ja etäisyys anturin ja analyytin välillä kasvaa. Biolikaantumisprosessi on melko hyvin ymmärretty, mutta harmillisesti on vielä paljon alueita missä tutkimustietoa on vähemmän tai ei juuri ollenkaan. Kaikki osallisena olevat proteiinit, erityisesti pienikokoisemmat, ja niiden roolit eivät ole tunnettuja. Tällä hetkellä ei ole tapaa ehkäistä biolikaantumista universaalisti. Tutkimuksen tavoite on tutkia tärkeimpiä proteiineja, jotka aiheuttavat biolikaantumista lääketieteellisissä laitteissa ja näiden proteiinien ominaisuuksia. Saatavilla olevat tutkimukset aiheesta käytiin läpi kvasisystemaattisesti. Erilliset hakulausekkeet muodostettiin tunnistamaan proteiinit, jotka aiheuttavat biolikaantumista veressä, hiessä, kyynelnesteessä ja virtsassa. 19 tutkimusta valittiin tarkempaan tarkasteluun, 15 niistä keskittyi vereen. Albumiini on yleisin biolikaantumisen aiheuttaja sekä veressä että kyynelnesteessä. Muut keskeiset proteiinit ovat samaa kokoluokkaa kuin albumiini, noin 50–100 kDa. Pienet proteiinit myös nopeasti adsorboituvat ja irtoavat pinnalta, muodostaen monimutkaisen kokonaisuuden, jossa ne vaikuttavat isompien proteiinien adsorbtioon. Hiki ja virtsa sisältävät vähäisen pitoisuuden proteiinia, minkä takia niissä ei juuri esiinny proteiinien aiheuttamaa biolikaantumista. Biolikaantuminen on monimutkainen prosessi, jossa eri osat vaikuttavat toisiinsa monilla tavoilla ja monet näistä tavoista eivät olet kovin hyvin ymmärrettyjä. Erityisesti pienikokoisemmat proteiinit vaikuttavat lupaavilta kohteilta tutkimukselle, sillä näyttää että niiden toiminta voi myös vaikuttaa isompien proteiinien kykyyn kiinnittyä.