Подкожный биодатчик покажет уровень глюкозы в крови
Биодатчик, способный измерять уровень глюкозы в крови человека, создали ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ) РАН в подмосковном Пущино. Прибор представляет собой микрокапсулы с ферментом внутри, которые можно вводить под кожу человека и с помощью оптического гаджета считывать показания. Подобная концепция известна как «умная тату».
Сейчас больные диабетом измеряют уровень глюкозы в крови с помощью глюкометров. Для этого им приходится брать из пальца пробу крови. Ученые бьются над решением задачи, как определить уровень сахара, не повреждая кожу. Ученые из Пущино тоже работают над этой задачей, и, возможно, именно их биодатчик первым выйдет на коммерческий рынок.
Сотрудники ИТЭБ РАН решили использовать полиэлектролитные микрокапсулы, изобретенные ими совместно с английскими и немецкими коллегами. Микрокапсулы — это контейнеры для хранения и доставки в организм какого-либо полезного вещества. Их получают химическим путем из полимеров синтетического и природного происхождения. В данном случае ученые синтезировали биоминеральное ядро из обычного мела и глюкозооксидазы — фермента, реагирующего с глюкозой. Вокруг ядра сформировали многослойную оболочку, которая удерживает фермент внутри капсулы, но не препятствует проникновению в нее глюкозы и отводу продуктов реакции. Между слоями оболочки внедрили флуоресцентный краситель из соли рутения.
Синтезированные таким способом микрокапсулы можно нанести в виде «умной тату» на участок кожи площадью несколько миллиметров. Глюкоза из крови проникает в капсулу и вступает в реакцию с ферментом. Продукты этой реакции заставляют краситель, внедренный в оболочки микрокапсул, излучать в определенном диапазоне. Это излучение регистрирует оптический датчик, который человек прикладывает к «тату».
— Снимая спектры флуоресценции, можно следить, как изменяется концентрация глюкозы в исследуемом растворе, — пояснила старший научный сотрудник лаборатории цитотехнологии ИТЭБ РАН, кандидат биологических наук Людмила Шабарчина.
Основываясь на экспериментальных данных, ученые полагают, что такая «умная тату» может работать около года. Вредные вещества под кожу при разложении микрокапсул не выделяются. В любом случае концентрация продуктов распада слишком ничтожна, чтобы вызвать существенную реакцию кожи.
Преимущество таких биодатчиков в том, что фермент очень долго сохраняет активность, а микрокапсулы постепенно разлагаются, не вызывая побочных реакций в организме. Но у метода есть слабое место — пока не удается автоматизировать синтез микрокапсул. Приходится обрабатывать их ультразвуком, контролируя каждый этап под микроскопом. Процедура эта отработанная, но занимает целый рабочий день, и количество получаемых капсул годится только для научных целей.
Над решением этой задачи работают другие ученые из ИТЭБ РАН. Они запатентовали метод синтеза микрокапсул, при котором удается внедрить в ядро до 80% фермента. В сходном направлении работают также научные группы в Институте биоорганической химии РАН и в лаборатории дистанционно управляемых систем для тераностики Саратовского госуниверситета.
— Что такое полиэлектролитная капсула? Вы получаете контейнер для переноса вещества в любое место организма. Если пометить контейнер флуоресцентным красителем, то легко проследить, куда и в каком количестве он проник. Микрокапсулы из биоразлагаемых полимеров полезны для доставки в организм лекарств длительного действия. Они растворяются в тканях в течение нескольких часов или даже дней, и заключенный в них препарат потихоньку выходит наружу. Это заменяет таблетки. А если в микрокапсулы ввести магнитные частицы, то их можно будет вести по организму в направленном магнитном поле, — рассказала Людмила Шабарчина о перспективах использования микрокапсул.
По мнению руководителя проекта по созданию биосенсоров Фонда перспективных исследований Федора Арсеньева, данные технологии могут стать прорывом XXI века.
— В здравоохранении они применяются в первую очередь для клинической диагностики заболеваний. Уже есть биосенсоры, которые не только реагируют на изменение концентрации каких-либо белковых субстратов, но и способны регистрировать физиологические параметры организма. Например, артериальное давление, частоту дыхания, интенсивность потоотделения и даже внутриклеточную температуру и кислотность. Что касается перспектив, то речь идет прежде всего о дальнейшей миниатюризации сенсоров при сохранении их высокой чувствительности и способности давать быстрый и однозначный отклик, — рассказал Федор Арсеньев.
Ученые полагают, что у микрокапсул большое будущее — они открывают новые пути в медицине. Речь идет о создании новых аналитических методов и адресной доставке лекарств.
