Имплантируемый датчик тряски непрерывно отслеживает воспаление
Ученые Северо-Западного университета разработали новое имплантируемое устройство, которое может отслеживать колебания уровня белков в организме в режиме реального времени. Вдохновленное фруктами, стряхивающими ветки дерева, устройство состоит из нитей ДНК, которые прилипают к белкам, стряхивают их, а затем захватывают больше белков. Эта креативная стратегия позволяет устройству со временем отбирать образцы различных белков для измерения изменений в маркерах воспаления.
В экспериментальных исследованиях датчики точно и чувствительно измеряли белковые биомаркеры воспаления у диабетических крыс. Работа закладывает основу для управления в реальном времени и профилактики острых и хронических состояний посредством отслеживания критических белков, таких как цитокины при воспалении, белковые биомаркеры при сердечной недостаточности и многие другие.
Исследование «Активно-восстанавливающиеся белковые сенсоры обеспечивают непрерывный мониторинг воспаления in vivo» было опубликовано 6 декабря в журнале Science .
«Конструкция устройства аналогична непрерывному глюкометру, который крепится на руке и измеряет уровень глюкозы прямо под кожей», — рассказала Шана О. Келли из Северо-Западного университета, которая руководила исследованием.
«Вы можете видеть, что уровень глюкозы растет в реальном времени. Но затем, возможно, вы принимаете инсулин, и уровень глюкозы снова падает. Вам нужно уметь измерять тенденции в неправильном направлении и тенденции в правильном направлении. То же самое и с белками при воспалении.
«Нам необходимо отслеживать колебания, чтобы получить полную картину того, что происходит в организме. Это совершенно новая возможность — наблюдать за воспалением в режиме реального времени. Существует огромное количество приложений, которые мы сейчас начинаем изучать».
Келли — профессор химии и биомедицинской инженерии имени Нины Б. Шварц в Северо-Западном университете, где она работает в колледже искусств и наук Вайнберга, инженерной школе Маккормика и медицинской школе Файнберга. Она также является президентом Chan Zuckerberg Biohub Chicago, одного из четырех институтов в сети Chan Zuckerberg Biohub.
Дрожь от вдохновения
В то время как существует множество датчиков для непрерывного обнаружения малых молекул, таких как глюкоза или электролиты, датчики для белков, которые больше и сложнее малых молекул , сложнее в разработке. Для обнаружения белков в биологических жидкостях ученые обычно используют рецепторы ДНК, которые связываются с белками и извлекают их из биожидкостей.
Проблема с этими приемами в том, что они работают слишком хорошо. Даже при пассивной регенерации эти липучки-крепления настолько прочны, что удерживают белки более 20 часов, что делает невозможным измерение колебаний в крови в реальном времени. Попробовав несколько решений для «перезагрузки» датчиков, Хоссейн Заргарталеби, первый автор исследования, получил вдохновение из неожиданного места: природы.
«Я думал о том, как тряска яблони , будь то вручную или порывом ветра, заставляет спелые яблоки отрываться и падать», — сказал Заргарталеби, научный сотрудник лаборатории Келли.
«Это простое наблюдение натолкнуло меня на мысль. А что, если бы мы могли «встряхнуть» рецепторы ДНК на наших датчиках, чтобы высвободить захваченные белки аналогичным образом? Я применил электрод переменного потенциала, который заставил цепи ДНК колебаться, и это сработало. Белки отделились, и датчик перезагрузился».
Датчики наномасштаба выглядят как ряды луковичных маятников, каждый из которых состоит из двухцепочечной нити ДНК. Один конец нити ДНК прикреплен к электроду, а другой конец прикреплен к другому фрагменту ДНК, который связывается с нужным белком. Когда исследователи применяют переменное электрическое поле, датчики, похожие на маятники, качаются вперед и назад — отбрасывая белки всего за минуту и ловя другие.
«Хосейн мыслил очень креативно и придумал неочевидную идею», — сказал Келли. «Он пошел в лабораторию, попробовал один раз, и это сработало. Затем он сделал это еще раз, и это сработало. Это такое простое и элегантное решение».
«Я был воодушевлен, зная, что это естественное понимание привело к большому прорыву», — сказал Заргарталеби.
«Теперь, подобно тому, как деревья постоянно растут и выбрасывают свои плоды, наши датчики ДНК могут «высвобождать» свои белки после каждого цикла измерения, обеспечивая непрерывный мониторинг в реальном времени внутри тела. Этот опыт напомнил мне, что, как и встреча Ньютона с яблоком намекнула на гравитацию, природа по-прежнему хранит важные уроки для тех, кто внимательно следит за ней».
Проникнуть под кожу
После наблюдения за работой устройства в лаборатории команда решила проверить, работают ли датчики на живых животных. Исследователи создали имплантируемое микроустройство с электродом и датчиками внутри тонкой микроиглы, шириной всего в три человеческих волоса.
Устройство, напоминающее прибор для непрерывного измерения уровня глюкозы, крепится к коже снаружи тела, а микроигла прокалывает кожу для взятия пробы жидкости.
Исследователи разработали датчики для связывания с двумя белками цитокинами, которые являются ключевыми маркерами воспаления. Затем они прикрепили устройство к коже крыс с диабетом. Поскольку диабет и воспаление тесно связаны, многие осложнения, связанные с диабетом, вызваны воспалением.
Датчики успешно измерили изменения концентрации обоих белков в жидкости. Когда крысы голодали или получали инсулин, датчики отслеживали уровни цитокинов, которые снижались. И наоборот, когда исследователи вводили крысам вещество, возбуждающее иммунную систему, уровни воспалительных цитокинов быстро взлетали.
Датчики были настолько чувствительны, что каждый раз, когда крысе делали укол инсулина, устройство обнаруживало небольшой всплеск воспаления в месте прокола кожи иглой. Измерения датчиков также соответствовали золотым стандартам лабораторных методов обнаружения белков в жидкостях организма, что подтверждает успешность устройства.
«Конечная превентивная мера»
Хотя новое устройство хорошо подходит для измерения воспаления, Келли предполагает использовать его для отслеживания многих других белковых маркеров. Она конкретно упоминает сердечную недостаточность, которая связана с белком, называемым натрийуретическим пептидом типа B (BNP). Клиницисты измеряют BNP для диагностики и мониторинга сердечной недостаточности, но в настоящее время нет способа непрерывно отслеживать этот маркер в реальном времени.
«Если у вас сердечная недостаточность, вам, возможно, придется ходить к врачу каждые три месяца», — сказал Келли.
«Но, как и при большинстве болезней, симптомы проявляются между визитами к врачу. Если пациент плохо себя чувствует, не сразу становится ясно, что это из-за сердечной недостаточности. При непрерывном мониторинге, когда пациент чувствует себя плохо, врач может извлечь его данные и проверить уровень BNP.
«Затем лекарства можно будет точно настроить до того, как симптомы ухудшатся. Мы надеемся, что однажды эта технология принесет пользу многим людям, подобно тому, как сегодня положительное влияние оказывает непрерывный мониторинг уровня глюкозы. Это может стать окончательной профилактической мерой».