Томография единичных клеток для неинвазивного анализа кожи

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».

Альтернативой обычному стеклу могут стать нековалентные стекломатериалы на основе биомолекул. Такие стекла биоразлагаемы, биосовместимы и хорошо поддаются переработке, что дает им преимущество перед традиционными. Для изготовления нековалентных стекол несколько научных групп предлагали применять циклические пептиды, поскольку они стабильны и устойчивы к ферментативному разложению. Однако склонность к кристаллизации препятствует их использованию в производстве стекла. Авторы статьи в Nature Nanotechnology нашли решение — они повысили энтропию системы, чтобы вместо кристаллов получить стекло.

Исследователи использовали влияние температуры на конформацию циклических пептидов, чтобы перевести их в неупорядоченное состояние и, быстро охладив, сохранить в нем. Кроме того, они создали многокомпонентную систему из разных пептидов. Такой подход позволил ученым подавить кристаллизацию пептидов и получить из них аморфный материал. Нековалентное стекло оказалось прочным и демонстрировало высокую устойчивость к разрушению ферментами. Авторы считают, что такой результат подчеркивает важность энтропии в формировании и стабилизации биомолекулярных стекол.

Детям с врожденными пороками сердца, затрагивающими желудочки, проводят шунтирование в раннем возрасте. Первая операция заключается в установке синтетического шунта, однако по мере роста ребенка зачастую требуется заменять шунт на трубку большего размера. Каждое оперативное вмешательство сопряжено с риском, и чтобы сократить их количество, ученые из Филадельфии (США) разработали шунт, способный «расти» вместе с сердцем пациента.

Искусственный шунт изменяет свой внутренний диаметр под действием света. Чтобы этого добиться, исследователи нанесли на его внутреннюю поверхность фоточувствительный гидрогель из декстранметакрилата. При облучении синим светом в гидрогеле начинают формироваться новые сшивки — из-за этого происходит сжатие гидрогеля и просвет шунта расширяется. Для активации этого процесса хирургу необходимо будет ввести оптоволоконный катетер в шунт через подмышечную артерию. В лабораторных экспериментах просвет шунта расширялся на 40% — с 3,5 до 5 мм, то есть почти до размера самого большого шунта, имплантируемого детям. Также авторы уже убедились, что величина расширения шунта зависит от длительности воздействия света — это позволяет предположить, что конструкцию можно будет подстроить под каждого пациента. Анализ биосовместимости показал, что материалы шунта не индуцируют тромбообразование или воспалительные реакции. Исследователи намерены протестировать полноразмерные прототипы шунтов в искусственной установке, имитирующей кровеносную систему человека и, если эти эксперименты окажутся успешными, перейти к испытаниям на животных.