Биоинженеры склеили гидрогели хитозановыми пленками

Исследование электрофизиологической активности с помощью микроэлектродов затруднено тем, что оно не позволяет охватить всю сложность 3D-структуры, например, органоида мозга. Авторы статьи в Science Advances представили e-Flower — микроэлектродный массив, способный самостоятельно обволакивать сфероиды мозга и регистрировать их активность.

Устройство состоит из четырех гибких лепестков с платиновыми электродами. При попадании жидкости (среды для культивирования) на лепестки они сворачиваются вокруг сфероида — это обеспечивается тем, что гидрогель в составе конструкции набухает в жидкости и меняет форму. Интересно, что к такому открытию привела особенность гидрогеля, которая изначально представляла проблему для исследователей. Один из сотрудников проекта разрабатывал мягкие нейроимпланты и обнаружил, что они непредсказуемо скручивались при контакте с водой, и это происходило как раз из-за набухания гидрогеля. Когда ученые смогли контролировать этот процесс, они создали e-Flower. Он совместим со стандартными системами регистрации электрофизиологической активности и не требует дополнительного оборудования или реагентов. Кривизна лепестка при погружении в жидкость способна достигать 300 мкм, изменение формы происходит за несколько минут и не повреждает сфероиды, вокруг которых оборачивается устройство. Кривизну и степень сворачивания устройства можно регулировать, варьируя состав среды и концентрацию сшивающего агента при приготовлении гидрогеля. Регистрация спонтанной активности нейронов по всей поверхности сфероида подтверждает, что e-Flower применим для комплексного измерения сигналов, которое не было возможно ранее.

Компания Neuralink заявила, что экспериментальный имплант, призванный вернуть зрение слепым людям, получил от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) США статус «прорывного устройства». Этот статус присваивается медицинским устройствам, которые обеспечивают лечение или диагностику угрожающих жизни состояний или необратимых повреждений, и нацелен на то, чтобы ускорить их разработку и внедрение.

Устройство получило название Blindsight. Илон Маск прокомментировал разработку в социальной сети X: по его словам, имплантат «позволит видеть даже тем, кто потерял оба глаза и зрительный нерв. Если зрительная кора не повреждена, способность видеть он обеспечит даже слепым от рождения». Компания приглашает добровольцев участвовать в исследованиях, однако комментариев о том, когда именно Blindsight начнет проходить испытания на людях, она пока не давала. FDA пока что также не комментирует это решение. 

Устройства для непрерывного мониторинга физиологических показателей ограничены трудностями, связанными с энергоснабжением и габаритами. Авторы статьи в Nature Electronics предложили совместить источник питания с источником данных — они создали носимое на пальце устройство для анализа метаболитов пота, которое из этого же пота получает энергию.

Конструкция содержит биотопливные элементы, расположенные в местах, где прибор соприкасается с кончиком пальца. Кончики пальцев крайне активно вырабатывают пот, и его постоянное выделение, по задумке авторов, должно эффективно подпитывать устройство. Накопленная таким образом энергия заряжает эластичные цинк-хлорсеребряные аккумуляторы, которые питают набор датчиков. В актуальной версии инженеры использовали четыре датчика, по одному на каждый из биомаркеров: глюкоза, витамин C, лактат и леводопа. Пот перемещается по микрофлюидной системе к датчикам, попутно давая устройству энергию, и подвергается анализу целевых метаболитов. Полученные от датчиков сигналы затем обрабатываются встроенным в прибор чипом и по беспроводной связи (Bluetooth) передаются на смартфон или ноутбук.

Работу автономного устройства для мониторинга метаболитов пота проверили на добровольце. Испытуемый носил прибор в течение дня, чтобы отслеживать уровень глюкозы во время еды, уровень лактата во время работы за столом и физических упражнений, уровень витамина С во время употребления апельсинового сока и уровень леводопы после употребления садовых бобов, ее природного источника. В ходе испытаний подтвердилось, что устройство может определять уровень этих метаболитов в течение длительного времени. Авторы разработки отмечают, что в будущем спектр анализируемых метаболитов пота можно расширить.

Основную массу островков Лангерганса в поджелудочной железе составляют β-клетки, продуцирующие инсулин. Раньше считалось, что для их работы необходимы и остальные типы клеток, входящие в состав островков (α, δ и γ). Но авторы статьи в Nature Metabolism показали, что это не так.

Ученые получили модельных мышей, островки Лангерганса у которых состояли исключительно из β-клеток (остальные типы удалили с помощью дифтерийного токсина). Оказалось, что у таких мышей хорошо работала регуляция уровня глюкозы в крови, у них наблюдалась повышенная толерантность к глюкозе, чувствительность к инсулину и ограниченное увеличение массы тела при диете с высоким содержанием жиров. Динамика секреции инсулина в β-клеточных островках была сопоставима с нормальной. Аналогичные результаты были получены на «псевдоостровках» (клеточных скоплениях), состоящих только из β-клеток человека. В клетках псевдоостровков сохранялось полноценное митохондриальное дыхание, регулируемое глюкозой, они секретировали инсулин и реагировали усилением его секреции на эксендин-4 (агонист рецептора глюкагоноподобного пептида 1). Исследователи пришли к выводу, что β-клеткам не требуются другие типы островковых клеток для нормального функционирования и обеспечения гомеостаза глюкозы в крови.

Биогибридные роботы зачастую работают на клетках животных — мышцы лягушки использовали для плавания, морского зайца (Aplysia californica) — для ходьбы, дождевого червя — для изготовления микронасосов и клапанов. Однако поддерживать здоровые живые ткани в составе биогибрида тяжело. В отличие от клеток животных, грибы легко культивируются и устойчивы к экстремальным условиям, таким как арктический климат, закисление/засоление среды или радиация. Именно грибной мицелий использовали авторы статьи в Science Robotics для создания биогибридных роботов.

Для управления роботом ученые выбрали степную вешенку (Pleurotus eryngii) — этот гриб быстро растет, обладает нитевидным мицелием и неядовит. Мицелий грибов способен генерировать потенциалы, похожие на потенциал действия, в ответ на различные стимулы окружающей среды. Исследователи сконструировали систему для считывания биоэлектрических сигналов вешенки, а затем использовали эти сигналы для управления двумя разными роботами — мягким шагающим, который построен в форме морской звезды, и жестким колесным. Исходно сигналом служила естественная активность самого мицелия, однако затем ученые воздействовали на нее, чтобы направлять движения робота. Они воспользовались естественной светочувствительностью мицелия и стимулировали его ультрафиолетом, в ответ на что мицелий усиливал свою электрофизиологическую активность. Так, например, робота заставляли двигаться в сторону от источника УФ-освещения (запись доступна в дополнительных материалах к статье, видеоролик S11).

Роберт Шеперд, профессор из Корнеллского университета (США) и старший автор статьи,  комментирует разработку: «Вырастив мицелий в электронике робота, мы дали возможность биогибридной машине чувствовать окружающую среду и реагировать на нее. В данном случае мы использовали свет в качестве сигнала, но в будущем им станут химические вещества. В перспективе роботы смогут определять химический состав почвы при выращивании пропашных культур и решать, когда добавить больше удобрений, например, чтобы смягчить последствия сельскохозяйственной деятельности, такие как вредоносное цветение водоема».