ЖИЗНЬ

8 мифов о витаминах. В гастроном или в аптеку?
Весна, как принято считать, пора авитаминоза. Старый урожай почти съели, новый еще не вырастили.
ВОЗ назвала 10 ведущих причин смертности в мире
Каждой год ВОЗ подводит итоги смертности по регионам, странам и, в конечном итоге, во всем мире.
Для чего нужны прививки?
Вакцинопрофилактика – это государственная программа, поэтому в каждой стране существует свой национальный календарь прививок, содержащий перечень

 

Cудя по студентам и аспирантам, у которых я имею счастье вести занятия, один из самых желанных подарков сейчас — фитнес-трекер. Эти маленькие и недорогие браслеты могут посчитать количество пройденных человеком шагов или километров, расход калорий, определить частоту пульса, давление и даже выяснить, насколько хорошо высыпается хозяин. Они, без сомнения, удобнее датчиков с метровыми проводами, которые мы видели в документальном кино десяти-двадцатилетней давности, — с их помощью следили за здоровьем космонавтов или спортсменов. При этом информация, которую выдают фитнес-трекеры, достаточно репрезентативна.

 

Недалек тот час, когда появятся новые устройства, следящие за состоянием организма, еще более компактные, удобные и не требующие регулярной подзарядки. Собственно, они уже есть, и они передают информацию с поверхности тела или даже из глубины его. А теперь поговорим о материалах, из которых сделаны эти устройства — от гибкой биосовместимой оболочки и микрокапиллярных систем до биохимических сенсоров и гибкой электроники, оперативно передающей результаты анализа на смартфон или планшет.

 

<

 

Главное - гибкость!

Над созданием гибких и портативных сенсоров, отслеживающих состояние носителя, работает специалист по химии материалов Джон Роджерс (Северо-Западный университетСША). Он выбрал эту тему, желая прежде всего облегчить состояние пациентов в палатах интенсивной терапии. В сложных случаях, когда пациент требует постоянного наблюдения, на его теле закрепляют огромное количество датчиков и проводов, что создает огромные трудности и для него, и для медицинского персонала. Простая задача, которую мы многократно и успешно решаем каждую ночь, — перевернуться с боку на бок, — становится практически невыполнимой, врачам при перемещении больного в другую палату (или экстренном медицинском вмешательстве) нужно сперва удалить с его тела датчики. Между тем промедление может стоить человеку жизни. Главной же целью Роджерса было создание гибких и удобных сенсоров для самых маленьких пациентов, оказавшихся в неонатальных центрах.

 

2017-08-28-02.jpg

 

Роджерс и его коллеги начали работать над гибкими беспроводными сенсорами, способными отслеживать электрическую активность мозга, сердца и мышц, в 2003 году. Одной из ключевых задач стал подбор или дизайн материалов, свойства которых были бы максимально близки к свойствам кожи, — это необходимо и для удобства человека, и для более точного измерения параметров.

 

Начав сотрудничать с чикагским центром реабилитации пациентов, перенесших инсульт, химики поняли, что для получения полной картины о мышечной активности пациентов, проходящих реабилитацию, а также для мониторинга их подвижности нужны всего три датчика, прикрепленных к различным участкам тела. Каждый из них должен содержать электромиографические сенсоры, измеряющие электрические сигналы мышечной ткани, и трехосевой акселерометр, детектирующий движение тела. Проблема была в другом: для точного измерения требуется очень плотный контакт с кожей, а корпус устройства должен быть гибким, способным менять форму при движениях больного, то есть химики должны были сделать электронные устройства более «биологичными». Но они понимали, что «классические» материалы для электроники не удастся приблизить к биологии ни на йоту — нужно было подобрать необычный полимер.

 

Есть много полимерных материалов, которые могут быть мягкими, гибкими и даже существовать в форме ультратонких пленок. Однако далеко не каждый может стать платформой для размещения мобильного датчика — некоторые типы полимеров будут заметно влиять на его работу. Наиболее подходящими оказались полимерные материалы на основе поли(диметилсилоксана), главная цепь которых построена из чередующихся атомов кремния и кислорода. Они прочные, не рвутся, а главное, гораздо эластичнее карбоцепных, поскольку межатомное расстояние Si-О больше, чем С-С. Эластичность полисилоксана можно еще повысить, введя в его структуру дополнительные сшивки или дополнив состав эластомерами или другими добавками. Еще одно преимущество — поли(диметилсилоксан) газопроницаем, а значит, будет более комфортным для пациента.

 

2017-08-28-03.jpg

Датчики, закрепленные на коже.

Они анализируют пот человека и извлекают важную информацию о его здоровье

 

Поверх полимерной основы размещают гибкие электронные схемы и систему сенсоров — они должны изменять форму вместе с полимерной подложкой. Один из подходов, с помощью которого исследователи добились такой гибкости от электрических компонентов системы, — создание из обычных для электроники материалов, таких, как кремний или арсенид галлия, тонких вьющихся нанолент, растягивающихся подобно двумерной версии спиралевидного телефонного провода, которыми когда-то, лет 30 назад, трубка соединялась с телефонным аппаратом («Science», 2011, 333, 6044, 838—843, doi: 10.1126/science. 1206157). Миниатюрные электроды, введенные в электрическую схему, могут записывать электрическую активность тела, и эта информация передается без проводов на приемник с помощью миниатюрного радиопередатчика или чипа Bluetooth. Существуют и другие опробованные к настоящему времени технологии — тянущаяся ультратонкая «фольга» из металла или электропроводящего полимера либо полоски графена, легированные небольшим количеством металла.

 

Так появились — и уже нашли применение в клинической практике — гибкие датчики, которые могут отслеживать давление, пульс, температуру тела и его электрический потенциал. Эти параметры, конечно, важны, и по их значениям можно немало сказать о состоянии человека, однако есть и другой «язык тела», который хотелось бы научиться понимать с легкостью, — биохимические показатели.

Семь потов для сенсора

Одним из первых, кто смог непосредственно отследить протекающие в организме биохимические процессы, стал Такао Сомейя из Токийского университета. Он разработал сенсоры большой площади, которые можно изготавливать из печатаемых электропроводных органических материалов. Изначальная идея была в том, чтобы получить информацию о человеке, анализируя онлайн его биологические жидкости. Звучит просто, однако на самом деле задача оказалась нетривиальной. Ведь главными свойствами сенсора должны быть надежность и воспроизводимость результатов, а против этого работает то, что многие вещества в составе биологических жидкостей действуют на сенсоры разрушительно.

 

Сомейя с коллегами создал сенсор из светоизлучающих диодов и органических фотодетекторов микрометровых размеров, способный определять содержание кислорода в крови («Nature Nanotechnology», 2016, 11, 472—478, doi: 10.1038/nnano.2015.324). Принцип работы сенсора прост: диод светит на кожу, свет отражается, а по интенсивности отражения при определенной длине волны можно установить, какая часть молекул гемоглобина в крови оксигенирована. Датчик измерял оптические характеристики, но это уже была информация о химии организма!

 

 

2017-08-28-04.jpg

Применение материалов, имитирующих кожу человека, помогло сделать портативные датчики удобнее, а измерения — более точными

 

Кислород в крови — это уже хорошо, но как же биохимические показатели? Какую жидкость организма может анализировать дистанционный датчик в режиме реального времени? Кровь отпала почти сразу — взятие пробы для анализа не должно быть инвазивным. Слюну отбирать проще, чем кровь, но она — слишком грязный объект для анализа, в ней много посторонних компонентов, зависящих от того, что и когда человек прожевал. Слезы многое могут сказать и о физическом, и даже об эмоциональном состоянии человека, однако закреплять у слезных желез датчики, содержащие пусть даже маленькие электронные детали и хемосенсоры, не только неэстетично, но и опасно. Методом исключения осталась одна подходящая биологическая жидкость — пот. Кстати, и датчики для его анализа можно закреплять на теле под одеждой, не создавая особых неудобств.

 

Образец пота для экспресс-анализа отобрать сравнительно просто. Сам же пот — сложная по составу жидкость, содержащая множество биомаркеров, концентрации и соотношения которых варьируют в зависимости от состояния потеющего. Маркеры — это самые различные соединения: ионы, низкомолекулярные и высокомолекулярные соединения (глюкоза, молочная кислота и ее анионы, ионы натрия, калия, хлорид-ионы, гормоны белкового и небелкового строения). Известно, что концентрации практически всех веществ, содержащихся в поте, коррелируют с их же концентрациями в крови.

 

В числе пионеров этой области был ученик Роджерса, Дэ Хъён Ким, к тому времени занимавшийся собственными исследованиями в Национальном университете Сеула. Он с коллегами создал прототип гибкого датчика, позволявшего в режиме реального времени контролировать физиологическое состояние больного сахарным диабетом («Nature Nanotechnology», 2016, 11, 566—572, doi: 10.1038/nna-no.2016.38). Это устройство не только анализировало пот и по результатам определяло концентрацию глюкозы в крови, но, если она повышалась до критического уровня, немедленно подавало сахаропонижающий препарат метформин в организм. Правда, пока не в человеческий: «умный шприц», самостоятельно принимающий решение о времени инъекции, испытывали только на лабораторных мышах, больных диабетом.

 

Устройство Кима нельзя назвать очень простым. Пот по системе из микрокапилляров попадает в камеру сенсора, содержащую фермент глюкооксидазу. Как ясно из названия, этот фермент окисляет глюкозу, причем образуется пероксид водорода. Легированный золотом электрод из графена реагирует на изменение силы тока, сопутствующее изменению концентрации Н202. Поскольку температура и рН пота могут повлиять на точность определения, в датчик встроены также сенсоры, позволяющие измерять эти параметры и учитывать при расчете содержания глюкозы.

 

В другой части устройства расположена система ввода лекарства. Метформином загружена система микроигл, которые внедрены в тридекановую кислоту, твердую при температуре тела, но плавящуюся при 41—42°С. Когда концентрация глюкозы становится опасной, электрод из графена и золота нагревается, плавит тридекановую кислоту и микроигла перфорирует кожу, вводя лекарство в организм. На мышах-диабетиках такое устройство отлично работало, содержание глюкозы в крови снижалось. Теперь исследователи планируют увеличить точность определения сахара и дозировки вводимого лекарства.

 

2017-08-28-05.jpg

 

Почему футболка сухая и не пахнет?

При анализе пота есть одна проблема. Мы легко потеем, догоняя автобус, после тренировки в спортзале или просто одевшись не по погоде, но в нормальных условиях обычный человек не склонен к интенсивному потоотделению.

 

Для создания датчика, собирающего пот у человека в любом состоянии, пришлось немного адаптировать старый медицинский подход. Несколько десятков лет назад, чтобы заставить вспотеть небольшой участок кожи, на него наносили вазелин, — кожа нагревалась, и с этого участка собирали пот, обильный и незагрязненный. Но если поместить сенсор прямо на вазелин или другой жирный материал, он перестанет работать. Поэтому слой вазелина накрыли тонким листом поливинилового спирта, через него пот попадал в датчик для анализа («Lab on a Chip», 2016, 16, 4415—4423, doi: 10.1039/ c6lc01013j). Такой подход позволяет исключить влияние загрязнений на коже и снизить количество пота, необходимое для анализа, — сенсору теперь требуются не микро-, а нанолитры.

 

Сегодня эта технология пока еще недоступна для всех желающих. Она только начинает развиваться, но ее успешно применяют для отслеживания эффективности тренировки спортсменов (предоставить микро- и даже миллилитры пота для них не проблема). Пот членов национальных сборных, текущий с них на тренировках, анализировали еще до миниатюризации аналитических устройств, но это было не очень удобно — пока соберешь пот, пока отправишь в лабораторию и дождешься результата, возможность внести коррективы в уже идущую тренировку будет упущена. В начале 2016 года Али Джави (Университет Калифорнии, Беркли) решил эту проблему, сообщив об «умном браслете», который может измерять содержание различных параметров в выделениях пота непосредственно во время упражнения («Nature», 2016, 529, 7587, 509—514, doi: 10.1038/nature16521). Система гибких сенсоров, содержащая микроэлектроды, селективные к определенным ионам, и размещенная в эластичном браслете, определяет концентрации ионов калия и натрия, а внедренные в тот же браслет сенсоры на основе ферментов следят за концентрацией глюкозы и молочной кислоты. Гибкая электронная схема обрабатывает результаты анализа и пересылает их на смартфон или планшет через Bluetooth.

 

2017-08-28-06.jpg

 

На аналогичных принципах основана и система, разработанная для спортсменов Роджерсом. В ней результаты анализа получить еще проще: пот попадает в микрокапилляры с красителями, которые меняют цвет в зависимости от изменения рН, содержания глюкозы, молочной кислоты и хлорид-ионов («Science Translational Medicine», 2016,8, 366, doi: 10.1126/scitranslmed.aaf2593). Изменения цвета можно проанализировать как с помощью камеры смартфона, так и невооруженным глазом. По мнению Роджерса, датчик физического состояния, анализирующий пот, должен быть настолько дешевым, чтобы его было не жалко выкинуть после того, как его владелец достаточно пропотел и получил о себе всю необходимую биохимическую информацию.

 

Сенсор клеим

или вводим внутривенно?

Казалось, что к сосудам прилепить сенсор невозможно, но кровь настолько интересная и перспективная для анализа биологическая жидкость, что ученые решили и эту задачу. Такую сенсорную платформу разработала группа Кевина Плакско из Университета Калифорнии в Санта-Барбаре («Journal of the American Chemical Society», 2016,138,49,15809—5812, doi: 10.1021/jacs.6b08671). Устройство диаметром 100 микрометров можно имплантировать на внутреннюю стенку вены с помощью иглы. Во время испытаний такой внутривенный датчик успешно определял концентрации лекарственных препаратов и их метаболитов у крыс, тем временем резвившихся в своих клетках. Прибор, посылающий на монитор данные о составе крови каждые три секунды, — большой шаг вперед по сравнению с отбором крови из вены каждые десять минут и анализом в лаборатории.

Технологии

В клинической практике новый сенсор смог бы значительно упростить подбор дозировки лекарства. Это очень важно, когда пациент тяжелый и от правильной дозы зависит все, но было бы полезно практически всем, и в первую очередь маленьким детям, для которых дозы лекарств зачастую сильно усреднены. Рекомендации вида «детям до 12 лет по одной таблетке, старше — по две...» не учитывают особенностей метаболизма человека, вес и многое другое. Внутривенный датчик сможет измерять фармакокинетику любого лекарства индивидуально для каждого пациента, а пациент с помощью приложения на смартфоне, получающего информацию с этого сенсора, вовремя узнает, какой препарат и в какой дозировке необходимо принять.

 

2017-08-28-07.jpg

 

В сенсоре, разработанном Плакско, используются ап-тамеры — короткие одноцепочечные олигонуклеотиды, способные с высоким сродством и избирательностью связываться с молекулами различной природы. С какими именно молекулами — зависит от нуклеотидной последовательности аптамеров, а значит, их применение можно рассматривать как обобщенный подход. Возможность настроить аптамер на распознавание строго определенной молекулы позволяет рационализировать подход к созданию мини-сенсоров. Этот способ может оказаться куда эффективнее, чем более привычный, с помощью избирательно реагирующих на определенное вещество ферментов: получить синтетический аптамер проще, чем выделять фермент из живой ткани. К тому же, если речь идет об определении концентрации фармакологически активных препаратов в крови или в выделениях пота, фермента, специфичного к определенному лекарственному средству (особенно синтетическому или полусинтетическому), может и не существовать в природе.

 

Итак, миниатюрные устройства, следящие за биохимическими показателями, уже перестали быть фантастикой, их работающие прототипы проходят испытания в лабораториях. Возможно, в ближайшем будущем приклеенные на кожу или введенные в кровеносные сосуды мини-устройства будут носить не только лабораторные крысы и кролики, но и человек. А спустя еще какое-то время районные поликлиники начнут рассылать объявления: «Просьба родившимся в таком-то году подойти в процедурное отделение для проверки и реактивации вашей портативной биохимической лаборатории».

 

 

Автор: к.м.н. А.И. Курамшин

Источник: «Химия и жизнь»

<

 

ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ

Оставить комментарий от имени гостя

0 / 1000 Ограничение символов
Размер текста должен быть меньше 1000 символов

Комментарии

  • Комментарии не найдены



Получите вдвое больше полезной и интересной информации на Ваших социальных страничках


 

слушать радио онлайн

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ