Болезненные инъекции инсулина учёные давно мечтают отправить на свалку прошлого, чтобы облегчить страдания миллионов людей, которым был поставлен диагноз диабет. Новое изобретение экспертов по дизайну биоматериалов из университета Северной Каролины призвано решить ту же проблему.

Разработчики создали первый инсулиновый «умный пластырь», который может обнаруживать повышение уровня сахара в крови и внедрять дозу инсулина в кровь тогда, когда это необходимо.

Диабет сегодня диагностируется у более чем 387 миллионов человек в год по всему миру, причём, как ожидается, к 2035 году эта цифра возрастёт до 592 миллионов. Пациентам с этим диагнозом приходится постоянно контролировать уровень сахара в крови с помощью регулярных заборов крови и уколов.

Этот процесс является не только болезненным, но и неточным. Инъекции неверного количества лекарства могут привести к значительным осложнениям, среди которых – слепота, ампутация конечностей, диабетическая кома и смерть. Более точные подходы включают громоздкие механические датчики, насосы, катетеры с иглами, которые следует вводить под кожу и сменять каждые несколько дней.

«Умный пластырь» — это тонкий квадратный кусок кремния размером с монету, покрытый сотней крошечных игл, каждая из которых по толщине не превосходит человеческую ресницу. Эти микроиглы оснащены микроскопическими резервуарами для хранения инсулина и зондирующими глюкозу ферментами, которые быстро высвобождают лекарственный груз в том случае, если уровень сахара в крови превышает норму.

Напомним, что мы уже писали о разработках американскими учёными микроигл для безболезненной доставки лекарств. Исследование показало, что новый «умный пластырь» помогает снизить уровни глюкозы у мышей с диабетом первого типа на время до 9 часов. Правда, прежде чем пластырь можно будет использовать на пациенте-человеке, потребуется больше клинических испытаний. Но учёным уже сейчас ясно, что такой подход имеет хорошие перспективы.

«Мы разработали этот пластырь для лечения диабета: он действует быстро, прост в использовании, сделан из нетоксичных и биосовместимых материалов, – рассказывает профессор Чжэнь Гу (Zhen Gu), ведущий разработчик "умного пластыря». – Вся система может быть персонифицирована с учётом веса диабетика и его чувствительности к инсулину, так что мы можем сделать умный пластырь ещё умнее".

При разработке «пластыря» Гу и его коллеги решили подражать процессу создания природного инсулина в организме. Как известно, гормон вырабатывается бета-клетками поджелудочной железы: инсулин хранится в них в крошечных мешочках-пузырьках.

Эти клетки также ведут себя как центры обработки сигналов — они чувствуют повышение уровня сахара в крови и высвобождают инсулин.

«Мы создали искусственные пузырьки, которые выполняют те же самые функции, с использованием двух материалов, которые можно легко найти в природе, – рассказывает соавтор статьи Цзичин Юй (Jiching Yu), аспирант Гу. – Первый материал — гиалуроновая кислота, естественное вещество, которое сегодня является компонентом многих косметических средств. Второй — 2-нитроимидазол, обычно используемый в диагностике. Исследователи соединили их, чтобы создать новую молекулу, которая может быть гидрофобной снаружи и гидрофильной внутри».

В результате получились похожие на пузырьки структуры, каждая из которых была в сотню раз меньше толщины человеческого волоса. В каждый из этих пузырьков исследователи внедрили стержни твёрдого инсулина и ферментов, специально разработанные, чтобы чувствовать уровни глюкозы.

В лабораторных экспериментах, когда уровень сахара в крови увеличивается, избыток глюкозы переполняет искусственные пузырьки. Ферменты превращают глюкозу в глюконовую кислоту, которая постоянно потребляет кислород.

Из-за образующегося недостатка кислорода или гипоксии гидрофобные молекулы становятся гидрофильными. В результате пузырьки быстро распадаются и выбрасывают инсулин в кровоток.

После того как исследователи разработали эти умные хранилища для инсулина, им предстояло придумать способ управлять ими. Вместо того, чтобы полагаться на большие иглы и катетеры, они решили включить полученные наночастицы в массив крошечных игл.

Гу создал микроиглы с помощью той же гиалуроновой кислоты, которая была главным ингредиентом наночастиц. Только теперь из неё создали более жёсткие формы, чтобы крошечные иглы могли проткнуть кожу. Более сотни микроигл были расположены на тонкой кремниевой подложке. Когда такой «пластырь» помещается на кожу, микроиглы почти безболезненно проникают к ближайшим к поверхности капиллярам.

**Исследователи протестировали жизнеспособность этого подхода для контроля уровня сахара у мышей с диабетом первого типа. **

Одной группе мышей вводились стандартные инсулиновые инъекции и замерялся уровень глюкозы в крови (он падал до нормального, а затем снова стремительно повышался до гипергликемического диапазона). Однако у другой группы грызунов, которых лечили с помощью «умного пластыря», уровни глюкозы в крови были взяты под контроль в течение получаса и оставались стабильными в течение нескольких часов.

Так как мыши менее чувствительны к инсулину, чем люди, исследователи полагают, что стабилизирующий эффект будет длиться ещё дольше, когда дело дойдёт до лечения реальных пациентов. Возможно, «умный пластырь» нужно будет менять всего раз в несколько дней. Ожидается, что испытания методики на людях начнутся через 2–3 года.

Исследователи отмечают, что они к тому же могут определённым образом настраивать «пластырь», чтобы изменять уровни глюкозы в крови в пределах определённого диапазона. Это делается посредством изменения дозы фермента в каждой из микроигл.

Научная статья о разработке была опубликована в издании Proceedings of the National Academy of Sciences.