Використання пакету r для комп’ютерного моделювання контактів антигенів з антитілами в кіберфізичних імуносенсорних системах на прямокутній решітці

ВИКОРИСТАННЯ ПАКЕТУ R ДЛЯ КОМП’ЮТЕРНОГО МОДЕЛЮВАННЯ КОНТАКТІВ АНТИГЕНІВ З АНТИТІЛАМИ В КІБЕРФІЗИЧНИХ ІМУНОСЕНСОРНИХ СИСТЕМАХ НА ПРЯМОКУТНІЙ РЕШІТЦІ

THE USE OF R-PACKAGE R FOR COMPUTER MODELLING OF ANTIGEN CONTACT CONTENTS WITH ANTIBODIES IN CYBER-PHYSICAL IMMUNOSENSOR SYSTEMS ON THE RECTANGLE LATTICE

Сторінки: 97-105. Номер: №4, 2019 (275)
Автори:
В.П. МАРЦЕНЮК
Університет в Бєльско-Бялій, Польща
А.С. СВЕРСТЮК
Тернопільський національний медичний університет імені І.Я. Горбачевського
Н.В. КОЗОДІЙ
 Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя
Ю.В. КРАВЧИК
Хмельницький національний університет
V.P. MARSENYUK
University in Belsko Biala, Poland
A.S. SVERSTIUK
Gorbachevsky Ternopil National Medical University, Ukraine
N.V. KOZODII
Ivan Pul’uj Ternopil National Technical University, Ukraine
YU.V. KRAVCHIK
Khmelnytsky National University, Ukraine
DOI: https://www.doi.org/10.31891/2307-5732-2019-275-4-97-105
Рецензія/Peer review : 15.06.2019 р.
Надрукована/Printed : 17.07.2019 р.

Анотація мовою оригіналу

В роботі проведено комп’ютерне моделювання контактів антигенів з антитілами в кіберфізичних імуносенсорних системах на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням за допомогою пакета R. Предметом дослідження є кіберфізична імуносенсорна система на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням. Метою роботи є дослідження контактів антигенів з антитілами кіберфізичної імуносенсорної системи на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням за допомогою пакета R. Реалізовано комп’ютерну програму «Комп’ютерне моделювання контактів антигенів з антитілами в кіберфізичних імуносенсорних системах на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням». Проведено комп’ютерне моделювання досліджуваної моделі, наведено параметри моделі, їх числові значення, а також представлено параметри в пакеті R. Проаналізовано останні дослідження в галузі імуносенсорів, їх видів, та популярність наукових напрямів дослідження, протягом останніх років. Незважаючи на величезну різноманітність сучасних фізико-хімічних методів детектування аналітичного сигналу в імуноаналізі найбільш широко використовуються електрохімічні методи, які мають низку незаперечних переваг: висока чутливість і точність, селективність і експресність, невисока собівартість та універсальність. Описано пакет R як середовище програмування для статистичного аналізу даних із заданими значеннями параметрів моделі імуносенсора на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням. Наведені посилання на корисні сайти та рекомендації по роботі з пакетом R. Результати чисельного моделювання контактів антигенів з антитілами в кіберфізичних імуносенсорних системах на прямокутній решітці з використанням диференціальних рівнянь із запізненням дають змогу провести дослідження стійкості моделі імуносенсора. Встановлено, що її якісна поведінка суттєво залежить від часу запізнення.
Ключові слова: кіберфізична система, біосенсор, імуносенсор, математична модель, диференціальні рівняння, пакет R.

Розширена анотація англійською мовою

The computer modelling of contacts of antigens with antibodies in cyberphysical immunosensory systems on a rectangular lattice using delayed differential equations with the help of the package is carried out in the work. The subject of the study is a cyberphysical immunosensory system on a rectangular lattice using delayed differential equations. The purpose of this work is to study the contacts of antigens with antibodies of the cyberphysical immunosensory system on a rectangular lattice using delayed differential equations with the help of the packet R. The computer program “Computer simulation of antigen-antibody contacts in cyberphysical immunosensory systems on a rectangular lattice using delayed differential equations” was implemented. The computer modelling of the studied model is carried out, the parameters of the model, their numerical values are given, as well as the parameters in the package R. The latest researches in the field of immunosensors, their types, and the popularity of scientific research areas have been analysed in recent years. Despite the huge variety of modern physic-chemical methods of detecting the analytical signal in immunoassay, electrochemical methods are widely used, with a number of undeniable advantages: high sensitivity and accuracy, selectivity and expressiveness, not high cost and versatility. The package R is described as a programming environment for statistical analysis of data with given values of parameters of a immunosensor model on a rectangular lattice using delayed differential equations. The links to useful sites and guidelines for working with package R. The results of numerical modelling of antibody antigens contacts in cyberphysical immunosensory systems on a rectangular lattice using delayed differential equations allow us to conduct a study of the stability of a model of an immunosensor. It is established that its qualitative behaviour essentially depends on the time of delay.
Key words: cyber-physical system, biosensor, immunosensor, mathematical model, differential equations, packet R.

References

1. A. Lee, “Cyber physical systems: Design challenges,” Center for Hybrid and Embedded Software Systems, EECS University of California, Berkeley, CA 94720, USA, Tech. Rep. UCB/EECS-2008-8, Jan. 2008, p. 10. [Online]. Avail- able: https://www2.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2008/ EECS-2008-8.pdf.
2. Lee, B. Bagheri, and H.-A. Kao, “A cyber-physical systems architecture for industry 4.0-based manufacturing systems,” Manufacturing Letters, vol. 3, pp. 18–23, 2015, ISSN: 2213- 8463. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2014.12.001. [Online]. Available: http://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S221384631400025X.
3. -D. Kim, P. R. Kumar, “Cyber–physical systems: A perspective at the centennial,” Proceedings of the IEEE, vol. 100, no. Special Centennial Issue, pp. 1287–1308, May 2012. DOI: 10.1109/jproc.2012.2189792. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/jproc.2012.2189792.
4. Platzer (2008) “Differential dynamic logic for hybrid systems.,” Journal of Automated Reasoning, vol. 41, no. 2, pp. 143–189, 2008, ISSN: 0168-7433. DOI: 10.1007/s10817-008-9103-8.
5. Martsenyuk V.P. Study of classification of immunosensors from viewpoint of medical tasks / A. Klos-Witkowska, A.S. Sverstiuk // Medical informatics and engineering. – 2018.-№ 1(41). – p.13-19. DOI: https://dx.doi.org/10.11603/mie.1996-1960.2018.1.8887.
6. Karunakaran, Ch. Chapter 4 Immunosensors Biosensors and Bioelectronics / Ch. Karunakaran, M. Pandiaraj, P. Santharaman. – New York: Elsevier Inc. – 124 pp
7. Kaspar Binz, H. Engineering novel binding proteins from nonimmunoglobulin domains / H. Kaspar Binz, P. Amstutz, A. Plückthun // Natural Biotechnology. – 2005. – V. 23. – I. 10. – P. 1257 – 1268.
8. Renberg, B. Affibody molecules in protein capture microarrays: evaluation of multidomain ligands and different detection formats / B. Renberg, J. Nordin, A. Merca, M. Uhlén, J. Feldwisch // Journal of Proteome Resourses. – 2007. – V. 6. – P. 171 – 179.
9. Miao, Z. Protein scaffold–based molecular probes for cancer molecular imaging / Z. Miao, J. Levi, Z. Cheng // Amino Acids. – 2010. – V. 1. – P. 9.
10. Binz, H.K. Engineered proteins as specific binding reagents / H.K. Binz // Current Opinion in Biotechnology. – 2005. – V. 16. – P. 459 – 469.
11. Dillon, P.P. Immunoassay for the determination of morphine–3–glucuronide using a surface plasmon resonance–based biosensor / P.P. Dillon, S.J. Daly, B.M. Manning, R. O’Kennedy // Biosensors and Bioelectronics. – 2003. – V. 18. – P. 217 – 227
12. Tang, J. Amplified impedimetric immunosensor based on instant catalyst for sensitive determination of ochratoxin A / J. Tang, Y. Huang, C. Zhang, H. Liu, D. Tang // Biosensors and Bioelectronics. – 2016. – V. 86. – P. 386 – 392.
13. Liu, Y. Single Chain Fragment Variable Recombinant Antibody Functionalized Gold Nanoparticles for a Highly Sensitive Colorimetric Immunoassay / Y. Liu, Y. Liu, R. L. Raymond, X. Zenga // Biosensors and Bioelectronics. – 2009. – V. 24. – I. 9. – P. 2853 – 2857
14. Jon Sáenz, Santos J. González-Rojí, Sheila Carreno-Madinabeitia, Gabriel Ibarra-Berastegi, Analysis of atmospheric thermodynamics using the R package aiRthermo, Computers & Geosciences,Volume 122,2019, Pages 113-119, ISSN 0098-3004, https://doi.org/10.1016/j.cageo.2018.10.007.
15. Carla A.R.S. Fontoura, Gastone Castellani, José C.M. Mombach, The R implementation of the CRAN package PATHChange, a tool to study genetic pathway alterations in transcriptomic data, Computers in Biology and Medicine, Volume 78, 2016, Pages 76-80, ISSN 0010-4825, https://doi.org/10.1016/j.compbiomed.2016.09.010.
16. Daniel Adler, Duncan Murdoch, et al. rgl: 3D Visualization Using OpenGL. R package version 0.96.0. 2016. url: https://CRAN.R-project.org/package=rgl.
17. Martsenyuk V. Stability, bifurcation and transition to chaos in a model of immunosensor based on lattice differential equations with delay / A. Klos-Witkowska, A. Sverstiuk // Electronic Journal of Qualitative Theory of Differential Equations: No. 2018(27), р. 1-31. ISSN: 1417-3875. Scopus, Web of Science. Impact Factor: 0.881. DOI: 10.14232/ejqtde.2018.1.27.
18. Marcenyuk V.P. Ob ispolzovanii reshetchastyh differencialnyh uravnenij s zapazdyvaniem dlya modelirovaniya immunosensora / I.E. Andrushak, P.N. Zinko, A.S. Sverstyuk // Problemy upravleniya i informatiki : mezhdunarodnyj nauchno-tehnicheskij zhurnal. – 2018. – № 3. – S. 37–45.
19. Martseniuk V.P. Model imunosensora na osnovi reshitchastykh dyferentsialnykh rivnian iz zapiznenniam / V.P. Martseniuk, A.S. Sverstiuk // Shtuchnyi intelekt. – 2018. – № 1. – S. 42–47.
20. Marcenyuk V.P. Podhod k issledovaniyu globalnoj asimptoticheskoj ustojchivosti reshetchatyh differencialnyh uravnenij s zapazdyvaniem dlya modelirovaniya immunosensorov / A.S. Sverstyuk, I.E. Andrushak // Problemy upravleniya i informatiki : mezhdunarodnyj nauchno-tehnicheskij zhurnal. – 2019. – № 1. – S. 62–74.