Ученые Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) и Северо-восточного университета (Northeastern University) разработали новую систему мониторинга биомедицинских показателей – таких как уровень натрия или сахара в крови. Эта система поможет создать имплантируемые устройства, позволяющие больным, например, диабетом, проверять уровень глюкозы в их крови, просто посмотрев на определенный участок своей кожи.

Микрофотография (СЭМ) пучка «микрочервей»,
полученных методом химического осаждения
из паровой фазы, разработанным учеными
MIT и Северо-восточного университета.
(Фото: Gleason Lab)

Основанные на микрочастицах – полых микроскопических сферах, заполненных определенными химическими веществами – системы для мониторинга биомедицинских состояний или для селективной доставки препаратов к определенным органам разработаны уже несколькими исследовательскими группами. Но одним из недостатков таких систем является то, что частицы настолько малы, что со временем просто вымываются из области их первоначального введения. Новая система позволяет избежать этой проблемы, так как основана на другом виде микрочастиц.

Если традиционные микрочастицы имеют форму сферы, то новые частицы представляют собой длинные трубочки. Благодаря небольшому диаметру, сравнимому с диаметром применяемых ранее микросфер, содержимое трубочек находится в непосредственной близости от крови или ткани организма. При таких условиях частицы могут легко реагировать на определенные химические вещества, находящиеся в окружающей их ткани. Относительно большая длина позволяет микротрубочкам очень хорошо закрепиться на месте введения, что и необходимо для проведения долговременного мониторинга. Такая система работоспособна в течение нескольких месяцев.

Соавторами этой уникальной разработки являются профессор химической инженерии MIT Карен Глисон (Karen Gleason), профессор фармацевтики Северо-восточного университета Хизер Кларк (Heather Clark), постдокторант MIT Гозде Озайдин-Инс (Gozde Ozaydin-Ince) и докторант Северо-восточного университета Дж. Мэттью Дабах (J. Matthew Dubach). О результатах своей работы ученые сообщают в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Процесс создания новых наночастиц основан на методе профессора Глисон – покрытии материалов выпариванием покрывающих материалов с их осаждением на покрываемой поверхности. Этот метод – химическое осаждение из паровой фазы (chemical vapor deposition, CVD) – может быть использован для покрытия материалов, содержащих микроскопические поры, что делает такие поры еще меньше и придает их поверхности способность реагировать на химические свойства проходящих через них веществ.

В новой работе CVD используется для нанесения покрытия на слой оксида алюминия с мельчайшими порами, полученными методом травления. Так же как в и предыдущих работах, покрытие наносится на стенки таких пор. Но затем сам покрываемый материал растворяют. В результате там, где раньше были поры, остается только ряд полых трубок. Перед этим, однако, к покрытию стенок пор может быть добавлен другой материал – такой, который реагирует на окружающую среду. Таким же способом к нему можно добавить и нужные лекарственные препараты. Затем трубки закрываются с обоих концов.

Профессор химической инженерии
Карен Глисон (Karen Gleason)
(Фото: Patrick Gillooly)

Чтобы получить люминесцентное «тату», достаточно ввести под кожу определенное количество таких «микрочервей», как назвала их сама Глисон, заполнив крошечные полые трубки флуоресцирующим материалом, излучающим свет определенного цвета в ответ на присутствие того или иного химического вещества. «Степень флуоресценции обеспечивает постоянный физиологический мониторинг определенного химического вещества» в организме, и может наблюдаться прямо через кожу, объясняет Глисон. Излучаемый флуоресцентным веществом свет «видим для человеческого глаза, и таким образом может быть непосредственно интерпретирован пациентом без необходимости применения громоздких мониторов».

Хотя первоначально «микрочерви» были разработаны для определения уровней соли и были успешно испытаны на мышах, существует множество потенциальных применений таких устройств. Одно из них – измерение уровня глюкозы в крови. Жесткий контроль над уровнем глюкозы может помочь больным предотвратить разрушительные побочные эффекты сахарного диабета – причину номер один почечной недостаточности, слепоты, различных нарушений со стороны нервной системы, ампутаций конечностей, а также повышенного риска инфарктов, инсультов и врожденных дефектов. В настоящее время только в США диабетом страдают более 20 миллионов человек, и, по оценкам экспертов, в ближайшие 25 лет их количество удвоится.

«Трубки настолько малы – около 200 нанометров в диаметре, или меньше одной сотой толщины человеческого волоса – что «организм даже не думает, что они там находятся», – комментирует свою работу Глисон. Это позволяет им действовать по принципу «стелс»-технологий, не вызывая каких-либо физических реакций.

В своем отзыве Рауль Копельман (Raoul Kopelman), почетный профессор химии, физики и прикладной физики, профессор-исследователь биомедицинской инженерии Университета Мичигана (University of Michigan), назвал работу Глисон и ее коллег «работой высокого качества, выполненной группой экспертов».

«В принципе это открывает путь к получению информации без анализов крови, требующих центральных лабораторий, квалифицированных медсестер, дополнительного времени и дополнительных расходов. Это можно сделать в кабинете врача или даже дома. Это также избавит от сложностей пациентов с «трудными» венами, больных, принимающих препараты для разжижения крови, и т.д.»,– считает профессор Копельман.

Однако, предупреждает профессор, «главным камнем преткновения является фактор безопасности, то есть одобрение со стороны FDA. [US Food and Drug Administration, Агентство по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств]. FDA могут беспокоить не только долгосрочная химическая токсичность и биоэлиминирование, но и осложнения – например, не приведет ли это к образованию тромбов?».

В дополнении к тому, что при введении в организм «микрочерви» остаются на месте, значительными преимуществами обладает и сам процесс их производства, подчеркивает профессор Глисон. Так как CVD – стандартный метод, используемый в полупроводниковой промышленности, производство таких устройств должно быть относительно простым и недорогим.

Аннотация к статье Microworm optode sensors limit particle diffusion to enable in vivo measurements