Миниатюрного мягкого робота для хирургии построили по принципу бархатного червя

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.

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.

Голосовые пользовательские интерфейсы (VUI) ускоряют и упрощают доступ к информации и выполнение различных задач. Авторы работы в Communications Biology представили голосовой интерфейс для изучения геномных данных в онкологии. Пользовательский интерфейс получил название Melvin, он основан на виртуальном помощнике Amazon Alexa.

Разработчики руководствовались тем, что исследователям и клиницистам необходимы эффективные способы выполнения базовых запросов и анализа данных. Это порождает высокий спрос на интуитивно понятные инструменты для изучения данных в онкологии, например, полученных в рамках проекта «Атлас генома рака» (TCGA). Melvin позволяет проводить анализ таких данных с помощью любого устройства, поддерживающего Alexa — мобильного телефона, планшета и т.д. Атрибуты запроса можно добавлять постепенно и в любом порядке — это важно, поскольку запросы по геномике рака бывает трудно сформулировать в виде единого связного предложения. Кроме того, Melvin сохраняет контекст, что позволяет избежать повторения похожих запросов, к которым пришлось бы прибегнуть при использовании более стандартных графических интерфейсов. Например, после перехода к мутациям, раку молочной железы и TP53 пользователь может захотеть заменить TP53 на PIK3CA. Вместо того чтобы создавать отдельный новый запрос, пользователь может просто сказать: «Как насчет PIK3CA?», и Melvin выдаст данные о количестве мутаций PIK3CA при раке молочной железы.

Разработчики рассчитывают, что в будущем гибридные платформы, объединяющие голосовые технологии с биомедицинскими базами данных и большими языковыми моделями, смогут еще больше расширить возможности приложений для исследований и медицины.

Дезоксирибозимы — короткие молекулы ДНК, обладающие каталитическими свойствами. На их основе можно изготавливать зонды для анализа нуклеиновых кислот, обладающие высокой специфичностью; также их применение упрощает процедуру оптимизации анализа. Ученые из ИТМО с коллабораторами разработали ДНК-наномашину (hook-equipped DNA nanomachine, HDNM), позволяющую быстро детектировать заданные последовательности нуклеиновых кислот без предварительной амплификации. Предложенная ДНК-наномашина нацелена на РНК SARS-CoV-2.

Команда занимается разработкой бинарных дезоксирибозимных зондов, принцип работы которых состоит в следующем: два участка ДНК комплементарно связывают анализируемую нуклеиновую кислоту. Благодаря этому формируется каталитический центр, который расщепляет субстрат — молекулу нуклеиновой кислоты, меченную флуорофором и гасителем. При расщеплении такого субстрата возникает флуоресценция, которую можно детектировать.

Предложенная авторами конструкция содержит бинарный дезоксирибозимный зонд, а также два «крючка» для связывания меченого субстрата. Она прочно связывается с анализируемой РНК, способствуя разворачиванию ее вторичной структуры. Крючки в ней позволяют усиливать флуоресцентный сигнал, привлекая новые молекулы субстрата к каталитическому центру и тем самым локально увеличивая его концентрацию. Исследователи показали, что крючки снижают предел обнаружения приблизительно в 40 раз по сравнению с конструкцией без крючков — у HDNM он составил 2 пикомоль/л. Ученые рассчитывают, что их система может стать быстрым и эффективным средством диагностики SARS-CoV-2 и других вирусных инфекций в местах оказания медицинской помощи.

Трехмерные модели культур раковых клеток, такие как опухолевые сфероиды, лучше воспроизводят опухоли, чем обычные двумерные модели. Однако их получение требует трудоемких ручных манипуляций, которые ограничивают производительность таких подходов. Исследователи из США предложили альтернативу, требующую куда меньше затрат — они использовали для получения опухолевых сфероидов небольшой вибромотор, который можно найти в любом мобильном телефоне.

В статье опубликовано наглядное руководство по созданию такой установки. Вибромотор в ней служит для того, чтобы разбить струю альгинатного раствора на одинаковые по размеру сферы. Струя раствора альгинатов, содержащая опухолевые клетки, пропускается через тонкий стеклянный капилляр, на выходе из которого она разделяется на сферические капли за счет вибрации. Собранное учеными устройство позволяет с высокой производительностью генерировать опухолевые сфероиды — авторы работы сообщают, что с его помощью они получали 3970 сфероидов в минуту, причем по свойствам они воспроизводили раковые опухоли и использовались для исследования диффузии противораковых препаратов.

Авторы работы отмечают, что сконструировать такую установку нетрудно и ее сборка обойдется менее чем в семь долларов. Они надеются, что простота изготовления и эксплуатации, а также высокая скорость работы подобных конструкций будут способствовать стандартизации и демократизации исследований рака.