Science: Имплантируемые датчики позволят непрерывно мониторить воспаление

Белки — это строительные блоки жизни, и изменения в уровне белка могут указывать на улучшение здоровья или надвигающуюся болезнь, включая признаки воспаления. Хотя уровень белка можно измерить с помощью периодических анализов крови или мочи, выяснить, как постоянно контролировать уровень белка в человеческом организме в режиме реального времени, оказалось непростой задачей.

Теперь команда биоинженеров из Чикагского биохаба имени Чана Цукерберга при поддержке Инициативы Чана Цукерберга и Северо-Западного университета представляет важную веху в этой работе: имплантированные под кожу датчики отслеживают изменения уровня белка в организме живых животных по мере того, как эти изменения происходят. В ходе доказательных испытаний, описанных 5 декабря 2024 года в журнале Science, новая технология точно и чувствительно измеряла белковые биомаркеры воспаления у крыс, страдающих диабетом.

Эта работа — значительный шаг к более глубокому пониманию воспаления, одного из самых сложных и важных явлений в человеческом организме. По некоторым оценкам, 50% всех смертей связаны с заболеваниями, вызванными воспалением, включая рак и болезни сердца. Новая технология закладывает основу для будущих инструментов, позволяющих контролировать, отслеживать и в перспективе даже предотвращать воспаление в организме человека. Такая возможность может радикально изменить лечение болезней, связанных с воспалением, подобно тому, как непрерывные мониторы глюкозы произвели революцию в лечении диабета, улучшив результаты лечения пациентов и снизив общие расходы на здравоохранение.

Это совершенно новая возможность — наблюдать за воспалением в режиме реального времени, — говорит старший автор работы Шана Келли, президент CZ Biohub Chicago и профессор химии и биоинженерии в Северо-Западном университете.

Мы надеемся, что однажды эта технология принесет пользу многим людям и станет средством профилактики прогрессирующих заболеваний.

Стряхнуть белки

Когда CZ Biohub Chicago открылся в 2023 году, команда поставила перед собой цель внедрить биоэлектронные датчики в ткани для мониторинга воспаления. Для этого команде сначала нужно было измерить уровень белковых цитокинов — химических мессенджеров, вырабатываемых иммунной системой, которые связываются с клетками и вызывают воспаление.

Но тут возникла проблема. Если для непрерывного определения малых молекул, таких как глюкоза или электролиты, существует множество датчиков, то датчики для белков — более крупных и сложных, чем малые молекулы, — оказались более сложными. Для обнаружения белков в биологических жидкостях ученые полагаются на молекулы или белки, которые прочно прикрепляются к белкам, чтобы вытащить их из жидкости. Однако это прикрепление настолько прочное, что рецепторы держатся более 20 часов, что делает невозможным измерение колебаний уровня белка в реальном времени.

Мы осознали это фундаментальное препятствие, и у нас возникла идея, что, возможно, мы сможем стряхнуть белки прямо с датчиков, — говорит Келли.

И когда мы впервые попробовали это сделать, все прекрасно получилось.

Команда разработала наноразмерные датчики, которые выглядят как ряды луковичных маятников, каждый из которых состоит из нити ДНК с большим куском ДНК на конце для связывания нужного белка. Эти липкие маятники «ловят» целевые белки, затем встряхиваются взад-вперед, чтобы сбросить эти белки и поймать другие в течение минуты.

Затем команда создала имплантируемое микроустройство с датчиками, встроенными в тонкую микроиглу шириной в три человеческих волоса, похожую на микроиглы в непрерывных мониторах глюкозы, используемых людьми с диабетом для отслеживания уровня глюкозы в крови. Ученые имплантировали устройство в кожу крыс, страдающих диабетом. Диабет и воспаление тесно связаны между собой, и многие осложнения диабета вызваны воспалением.

Датчики успешно измеряли изменения концентрации двух белков-цитокинов, маркеров воспаления, в жидкости под кожей крыс. Когда крысы постились и уровень глюкозы в крови был под контролем, датчики фиксировали снижение уровня цитокинов. И наоборот, когда крысам вводили вещество, возбуждающее иммунную систему, датчики фиксировали резкий рост уровня воспалительных цитокинов.

На пределе возможностей

В настоящее время Келли и команда Чикагского биохаба имени Чана Цукерберга используют датчики для изучения воспаления у крыс в различных условиях и встраивают их в различные тканевые модели воспаления. Встраивая в ткани тысячи датчиков и пробоотборных зондов, совместная команда ученых, инженеров, технологов и врачей Биохаба работает над мониторингом активности иммунных клеток в режиме реального времени, стремясь найти способы направить иммунную систему в сторону от «переломных точек», которые приводят к воспалительным заболеваниям.

Конечная цель — найти способ использовать эту технологию для отслеживания состояния здоровья человека. Если исследователи смогут глубже понять и отслеживать воспаление в человеческом организме в режиме реального времени, то в будущем они смогут вмешиваться и даже предотвращать заболевания, связанные с воспалением, что кардинально изменит систему здравоохранения и спасет жизни людей.

Как непрерывный мониторинг глюкозы открыл возможность наблюдать за пациентами с диабетом в режиме реального времени, так и эта технология может позволить нам контролировать и даже предотвращать многие заболевания, — говорит Келли.

В случае с воспалением — это предел возможностей, которые вы можете сделать для своего здоровья, контролируя его.

Ранее мы опубликовали 10 инноваций в области медицинского оборудования, которые будут в тренде в 2025 году.

05.12.2024