Šiaurės Vakarų universiteto mokslininkai sukūrė naują implantuojamą įrenginį, kuris gali stebėti svyruojančius baltymų kiekius organizme realiu laiku. Įkvėptas vaisių, nukratytų nuo medžio šakų, prietaisą sudaro DNR grandinės, kurios prilimpa prie baltymų, juos nuplauna ir tada paima daugiau baltymų. Ši kūrybinė strategija leidžia įrenginiui laikui bėgant imti įvairių baltymų mėginius, kad būtų galima išmatuoti uždegiminių žymenų pokyčius.
Koncepcijos įrodymo eksperimentuose jutikliai tiksliai ir jautriai išmatavo diabetinių žiurkių uždegimo baltymų biomarkerius. Šis darbas sudaro pagrindą ūminių ir lėtinių būklių valdymui ir prevencijai realiuoju laiku, stebint svarbius baltymus, tokius kaip citokinai uždegimuose, baltymų biomarkeriai sergant širdies nepakankamumu ir daugelis kitų.
Gruodžio 6 d. žurnale buvo paskelbtas tyrimas „Active-reset baltymų jutikliai leidžia nuolat stebėti uždegimą in vivo“. Mokslas.
„Prietaiso konstrukcija yra analogiška nuolatiniam gliukozės matuokliui, kuris sėdi ant rankos ir matuoja lygius tiesiai po oda“, – sakė tyrimui vadovavusi Shana O. Kelley iš Northwestern.
„Matote, kad jūsų gliukozės kiekis didėja realiu laiku. Bet tada galbūt išgersite insulino ir jūsų gliukozė vėl sumažės. Turite sugebėti išmatuoti tendencijas neteisinga kryptimi ir tendencijas teisinga kryptimi. tas pats su baltymais esant uždegimui.
„Turime sekti svyravimus, kad gautume visą vaizdą apie tai, kas vyksta organizme. Tai visiškai nauja galimybė – stebėti uždegimą realiu laiku. Yra daugybė programų, kurias dabar pradedame naudoti. tyrinėti“.
Kelley yra Neena B. Schwartz chemijos ir biomedicinos inžinerijos profesorė Šiaurės vakaruose, kur ji dirba Weinbergo menų ir mokslų kolegijoje, McCormick inžinerijos mokykloje ir Feinbergo medicinos mokykloje. Ji taip pat yra Chan Zuckerberg Biohub Chicago, vieno iš keturių Chan Zuckerberg Biohub tinklo institutų, prezidentė.
Drebėjimas iš įkvėpimo
Nors yra daug jutiklių, skirtų nuolat aptikti mažas molekules, tokias kaip gliukozė ar elektrolitai, baltymų jutiklius, kurie yra didesni ir sudėtingesni nei mažos molekulės, suprojektuoti yra sudėtingiau. Norėdami aptikti baltymus biologiniuose skysčiuose, mokslininkai paprastai naudoja DNR receptorius, kurie jungiasi prie baltymų ir ištraukia juos iš biofluidų.
Šių priėmimų problema yra ta, kad jie veikia per gerai. Net ir esant pasyviam regeneravimui, šie Velcro tipo tvirtinimai yra tokie stiprūs, kad laikosi ant baltymų daugiau nei 20 valandų, todėl neįmanoma išmatuoti kraujo svyravimų realiuoju laiku. Išbandęs keletą sprendimų, kaip „iš naujo nustatyti“ jutiklius, pirmasis tyrimo autorius Hosseinas Zargartalebi įkvėpimo gavo iš netikėtos vietos – gamtos.
„Galvojau apie tai, kaip purtant obelį, ar ranka, ar pučiant vėjo gūsiui, prinokę obuoliai atsiskiria ir nukrenta“, – sakė Kelley laboratorijos doktorantas Zargartalebi.
„Šis paprastas stebėjimas sukėlė idėją. O kas, jei galėtume „sukratyti” savo jutiklių DNR receptorius, kad panašiu būdu išlaisvintume užfiksuotus baltymus? Pritaikiau kintamo potencialo elektrodą, dėl kurio DNR grandinės svyravo, ir tai suveikė. Baltymai atsiskyrė ir jutiklis buvo nustatytas iš naujo.”
Nano masto jutikliai atrodo kaip svogūninių švytuoklių eilės, kurių kiekvieną sudaro dvigrandė DNR virvelė. Vienas DNR grandinės galas yra prijungtas prie elektrodo, o kitas – prie kito DNR bito, kuris jungiasi su norimu baltymu. Kai tyrėjai taiko kintamą elektrinį lauką, į švytuoklę panašūs jutikliai sukasi pirmyn ir atgal – vos per minutę nusviedžia baltymus ir sugauna kitus.
„Hosseinas mąstė labai kūrybiškai ir sugalvojo neakivaizdžią idėją“, – sakė Kelley. „Jis nuėjo į laboratoriją, vieną kartą pabandė ir pavyko. Tada jis tai padarė dar kartą ir pavyko. Tai toks paprastas ir elegantiškas sprendimas.”
„Buvau sužavėtas, žinodamas, kad ši natūrali įžvalga atvedė į didelį proveržį“, – sakė Zargartalebi.
„Dabar, kaip medžiai nuolat auga ir išleidžia savo vaisius, mūsų DNR jutikliai gali „išleisti” savo baltymus po kiekvieno matavimo ciklo, todėl galima nuolat stebėti kūno viduje realiu laiku. Ši patirtis man priminė, kad, kaip ir Niutono susidūrimas su obuolys užsiminė apie gravitaciją, gamta vis dar turi galingų pamokų tiems, kurie skiria daug dėmesio.
Patekimas po oda
Pastebėjusi, kaip prietaisas veikia laboratorijoje, komanda norėjo sužinoti, ar jutikliai veikia gyvuose gyvūnuose. Tyrėjai sukūrė implantuojamą mikroįrenginį su elektrodu ir jutikliais plonoje mikroadatoje, kurios plotis siekia vos tris žmogaus plaukus.
Prietaisas, panašus į nuolatinį gliukozės matuoklį, yra ant odos, esančios už kūno ribų, o mikroadata dūria odą, kad paimtų skysčių mėginius.
Tyrėjai sukūrė jutiklius, kurie prisijungtų prie dviejų baltymų citokinų, kurie yra pagrindiniai uždegimo žymenys. Tada jie pritvirtino prietaisą prie diabetu sergančių žiurkių odos. Kadangi diabetas ir uždegimas yra glaudžiai susiję, daugelį su diabetu susijusių komplikacijų sukelia uždegimas.
Jutikliai sėkmingai išmatavo abiejų baltymų koncentracijos pokyčius skystyje. Kai žiurkės nevalgė arba gavo insulino, jutikliai stebėjo citokinų kiekį, kai jie dreifuoja žemyn. Ir atvirkščiai, kai mokslininkai žiurkėms suleido imuninę sistemą sujaudinančios medžiagos, uždegiminių citokinų lygis greitai pakilo.
Tiesą sakant, jutikliai buvo tokie jautrūs, kad kiekvieną kartą, kai žiurkė gavo insulino šūvį, prietaisas aptikdavo nedidelį uždegimo smaigalį toje vietoje, kur adata pradurdavo odą. Jutiklių matavimai taip pat atitiko aukso standarto laboratorinius metodus, leidžiančius aptikti baltymus kūno skysčiuose – tai patvirtina prietaiso sėkmę.
„Paskutinė prevencinė priemonė“
Nors naujasis prietaisas gerai veikia matuojant uždegimą, Kelley numato jį naudoti daugeliui kitų baltymų žymeklių. Ji konkrečiai nurodo širdies nepakankamumą, susijusį su baltymu, vadinamu B tipo natriuretiniu peptidu (BNP). Klinikai matuoja BNP, kad diagnozuotų ir stebėtų širdies nepakankamumą, tačiau šiuo metu nėra galimybės nuolat stebėti šio žymeklio realiuoju laiku.
„Jei sergate širdies nepakankamumu, galite eiti pas gydytoją kas tris mėnesius“, – sakė Kelley.
„Tačiau, kaip ir daugeliui ligų, simptomai atsiranda tarp apsilankymų pas gydytoją. Jei pacientas blogai jaučiasi, tai ne iš karto akivaizdu, kad tai dėl širdies nepakankamumo. Nuolat stebint, kai pacientas nesijaučia gerai, gydytojas galėtų surinkti savo duomenis ir patikrinti jų BNP lygį.
„Tuomet vaistus būtų galima pakoreguoti, kol simptomai pablogės. Tikimės, kad vieną dieną ši technologija bus naudinga daugeliui žmonių, panašiai kaip tai, kas šiandien atsitiko su teigiamu nuolatinio gliukozės kiekio stebėjimo poveikiu. Tai gali būti pagrindinė prevencinė priemonė.”