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».
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 что-то не видно. Ученые из Пущино тоже работают над этой задачей, и, как знать, возможно, именно их биодатчик первым выйдет на рынок.
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.
Татьяна Пичугина, пресс-служба ИТЭБ РАН
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
