Биодатчик, способный измерять уровень глюкозы в крови человека, создали ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН в подмосковном Пущино. Биодатчик представляет собой полиэлектролитные микрокапсулы с ферментом внутри, которые можно вводить под кожу человека и с помощью оптического гаджета считывать показания. Эта концепция известна как «умная тату».
фото ИТЭБ РАН Биодатчик для измерения уровня глюкозы, изобретенный в Пущино. Фото в конфокальном микроскопе
Сейчас больные диабетом измеряют уровень глюкозы в крови с помощью миниатюрных глюкометров. Для этого им приходится брать из своего пальца пробу крови. А есть ли способ сделать измерение, не повреждая кожу? Многие научные группы в мире бьются над этой задачей, но пока без особого успеха. Сообщения об изобретении неинвазивных глюкометров постоянно мелькают в СМИ, но на прилавке их
Сотрудники ИТЭБ РАН решили приспособить под биодатчик 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. Ученые умеют создавать множество типов микрокапсул в зависимости от задач. В данном случае нужно было сформировать микрокапсулы из синтетических, но биосовместимых соединений. Сначала ученые синтезировали биоминеральное ядро из обычного мела и глюкозооксидазы — фермента, реагирующего с глюкозой. Затем вокруг ядра сформировали многослойную оболочку из пары противоположно заряженных полиэлектролитов. Эта оболочка удерживает фермент внутри капсулы, но не препятствует проникновению в нее глюкозы и отводу продуктов реакции. Между слоями оболочки внедрили флуоресцентный краситель из соли рутения.
— Включили в капсулу фермент, встроили флуоресцентный краситель, растворили минеральное ядро. Все — датчик готов. 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.
Синтезированные таким способом микрокапсулы можно вводить под кожу больного диабетом. Причем совсем немного. Достаточно нанести их в виде «умной тату» на участок кожи площадью несколько миллиметров. Глюкоза из крови проникает в капсулу и вступает в реакцию с ферментом. На продукты этой реакции в свою очередь отвечает краситель, внедренный в оболочки микрокапсул. Он начинает флуоресцировать, то есть излучать в определенном диапазоне. Это излучение регистрирует и преобразует в числовое значение оптический датчик, который человек прикладывает к тату.
Основываясь на экспериментальных данных, ученые полагают, что такая «умная тату» может работать около года, а то и дольше. Никаких вредных веществ под кожу при разложении микрокапсул не выделяется. В любом случае, концентрация продуктов распада слишком ничтожна, чтобы вызвать какую-то существенную реакцию кожи.
Преимущество таких биодатчиков состоит в том, что фермент в микрокапсулах очень долго сохраняет активность, сами микрокапсулы постепенно разлагаются, не вызывая побочных реакций в организме. Но у метода есть слабое место. Дело в том, что пока не удается автоматизировать синтез микрокапсул. Все попытки, а их было не мало и у нас, и за рубежом, лишь незначительно сократили ручной труд. Проблема в том, что микрокапсулы склонны к образованию крупных агрегатов, что недопустимо для большинства задач. Приходится синтезировать микрокапсулы, обрабатывая их ультразвуком и контролируя каждый этап под микроскопом. Процедура эта отработанная, но занимает рабочий день, и количество получаемых капсул годится только для научных целей. А если нет технологии массового производства, то переговоры с инвесторами для коммерциализации разработки затруднены. Несколько лет назад ученые из ИТЭБ РАН запатентовали метод синтеза микрокапсул, при котором удается внедрить в ядро до 80% фермента. Разработкой содержащих фермент микрокапсул с флуоресцентным красителем занималась сотрудница той же лаборатории кандидат биологических наук Любовь Казакова. Это исследование в течение нескольких лет поддерживали субсидии Минобрнауки России и гранты РФФИ. Результаты привлекли внимание двух коллег по институту — старшего научного сотрудника лаборатории радиационной молекулярной биологии Николая Сироты и старшего научного сотрудника лаборатории энергетики биологических систем, кандидата биологических наук Татьяны Сироты. Они помогли исследовать активность фермента с помощью полярографического метода. Полученные результаты ученые опубликовали в свежем номере «Журнала физической химии».
В сходном направлении работают также научные группы в Институте биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинников РАН и в лаборатории дистанционно управляемых систем для тераностики Саратовского государственного университета, созданной по мегагранту ведущим ученым Глебом Сухоруковым — создателем микрокапсул.
Ученые полагают, что у микрокапсул большое будущее, ведь они открывают новые пути в науке и медицине: создание аналитических методов и адресной доставки лекарств.
— Что такое полиэлектролитная капсула? Вы формируете на микроскопическом ядре несколько слоев полиэлектролитов, убираете минеральную основу, промываете и получаете контейнер для переноски 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.
Релиз подготовлен Татьяной Пичугиной
пресс-служба ИТЭБ РАН:
http://web.iteb.psn.ru/press-release.htm
Перевязова Татьяна