Эффективная диагностика и терапия диабета – проблема, коснувшейся миллионов людей на планете, похоже, уже в самом ближайшем будущем может приблизиться к своему решению. Такого мнения придерживаются ученые из Южной Кореи и США, разработавшие с этой целью автоматическое носимое беспроводное устройство. Подробнее о представленном прототипе, его достоинствах, принципе работы и существующих на момент анонса ограничениях мы расскажем в этой публикации.

Проблемы с пересадкой поджелудочной железы или ее части, связанные с отторжением нового трансплантата иммунной системой и дефицит трансплантируемых тканей стали поводом для поиска биоинженерами альтернативного решения. Одним из рассматриваемых направлений стала разработка механического роботизированного “аналога” поджелудочной железы, способного обеспечить компенсацию перепадов уровня глюкозы в крови больного.

В течение нескольких последних лет на рынке появились первые частично автоматизированные системы, т. н. устройства “с полугодовым замкнутым контуром”. К сожалению, свою эффективность они доказали только для инсулинозависимых пациентов с диабетом 1-го типа (юношеский диабет). Это тот случай, когда организм в связи с деструкцией бета-клеток поджелудочной полностью перестает вырабатывать инсулин и требует введения нужных доз извне. Подобные системы располагают крошечными подкожными иглами для фиксации нарушений содержания глюкозы, компьютерную систему для анализа полученных данных и инсулиновую помпу, проводящую подкожную инъекцию инсулина при помощи супертонкой пипетки. Все три элемента связываются между собой по беспроводному интерфейсу. Вместе с тем, предложенные ранее коммерческие станции пока не способны обеспечить полностью автоматическую коррекцию уровня глюкозы в крови диабетиков 1-го типа, требуя по крайней мере частичного мониторинга и участия в процессе пациента.

Сахарный диабет 2 типа, менее тяжелый и гораздо более распространенный, оказывается наиболее подходящей формой для создания полностью автоматической системы мониторинга и корректирующей терапии с замкнутым контуром. На этой стадии заболевания поджелудочная железа пациента еще вырабатывает инсулин и нуждается лишь в некоторой поддержке. Именно такая система для диагностики и терапии, поставляющая организму с целью поддержки печени метморфин была предложена специалистами из Южной Кореи и США. Отчет о проделанной работе был опубликован на научном интернет-портале Nature.com 21 марта 2016 года. Устройство напоминает носимый на кисти компактный браслет с активными элементами из графена, коммутируемый со смартфоном по беспроводному интерфейсу.

Как работает система

Благодаря высокой подвижности носителей, проводимости, гибкости и оптической прозрачности графен приобретает свойства универсального материала, все шире используемого как в микро, так и в макроэлектронике. Создавая браслет для диагностики и терапии диабета, ученые сумели экспериментально показать, что система датчиков из графена с примесью золота в микроскопических концентрациях в сочетании с тончайшей золотой сеткой способна обеспечить уровень электрохимической активности, необходимый для обеспечения автоматического мониторинга состояния пациента.

Сам по себе, графен не реагирует на глюкозу, но, будучи легированным определенным образом, он сможет приобрести весьма полезный набор электрохимических свойств. Созданный прототип системы на основе графена, обеспечивает, как полностью автоматический контроль, так и коррекцию уровня глюкозы в крови пациентов, страдающих диабетом 2-го типа. Проведенные на лабораторных мышах эксперименты продемонстрировали устойчивость передачи электрических сигналов и своевременность доставки дозы метформина, позволяющей снизить уровень сахара в крови за короткое время.

При превышении определенного порогового значения в кровь посредством встроенного массива игл по сигналу приложения вводится препарат метформин. И самый главный компонент “напульсника” — датчик химического состава пота, позволяющий определить уровень глюкозы в крови. Как сообщают ученые в своей отчетной публикации, время в течение которого изменения в составе крови приводят к изменениям в составе пота, которые могут быть оценены предложенным методом не превышает 15–20 минут, что не критично для людей, страдающих диабетом 2 типа.

Эластичный браслет объединен с датчиками, позволяющими получить все необходимые данные о текущем состоянии пациента в режиме реального времени и оперативно фиксировать факт гипергликемии или гипогликемии. Носимое устройство включает в состав систему оперативной терапии из массива полимерных микроигл для подкожной инъекции, объединенных с капсулами, содержащими метформин и активируемых термическим способом.

Собираемая по беспроводному интерфейсу информация считывается и анализируется специальным приложением смартфона, которое, проанализировав данные датчиков также беспроводным способом отдает схеме с массивом игл команду на ввод требуемой дозы лекарства — метформина для диабета 2-го типа или другого препарата, предписанного пациенту.

После надевания браслета необходимое для анализа биохимических показателей количество пота собирается адсорбирующим слоем за 15–20 минут. При их отклонении от нормы пациенту вводится необходимое количество метформина. В ходе эксперимента устройство подтвердило свои диагностические возможности на двух добровольцах. Терапевтическая эффективность, в связи с некоторыми ограничениями технологии пока что была достигнута в эксперименте на трансгенных мышах, страдающих диабетом 2-го типа.

Ограничения технологии

Несмотря на свою эффективность, метод в своем нынешнем виде имеет свое ограничение. Как отметил Ричард Гай (Richard Guy) — фармаколог из британского Университета Бата, назвавший разработку «существенным достижением», количество метформина в нынешней версии устройства оказывается недостаточным для обеспечения суточных потребностей взрослых пациентов.

Узкие места технологии не остановили ученых, которые уверены, что сумеют отыскать решения вопроса недостатка лекарства без существенного увеличения полезной площади устройства или количества игл.

Очень важно, что помимо терапевтического эффекта предложенный лечебный браслет наряду с прочими подобные устройствами всегда достаточно точно и абсолютно безболезненно сможет предоставить данные о количестве глюкозы в крови, что с учетом возможностей приложения позволит собирать полную статистику, отражающую объективную картину заболевания на интересующем временном интервале. И с этой целью такой браслет можно было бы использовать уже сейчас.