Автор AZoNano Апрель 6 2021

Идея имплантируемых датчиков, которые непрерывно передают информацию о жизненно важных ценностях и концентрациях веществ или лекарств в организме, долгое время очаровывала врачей и ученых. Такие датчики позволяют осуществлять постоянный мониторинг прогрессирования заболевания и терапевтического успеха.

Однако до сих пор имплантируемые датчики не подходили для того, чтобы оставаться в организме постоянно, и их приходилось заменять через несколько дней или недель. С одной стороны, существует проблема отторжения имплантата, потому что организм распознает датчик как инородный объект. С другой стороны, цвет датчика, указывающий на изменения концентрации, до сих пор был нестабильным и со временем стал блекнуть.

Ученые из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) разработали новый тип имплантируемого датчика, который может работать в организме в течение нескольких месяцев. Датчик основан на устойчивых к цвету наночастицах золота, которые модифицированы рецепторами для определенных молекул. Нанозолото, внедренное в искусственную полимерную ткань, имплантируется под кожу, где оно сообщает об изменении концентрации лекарственного средства, изменяя свой цвет.

Имплант сообщает информацию как «невидимую татуировку»

Исследовательская группа профессора Карстена Соенничсена в JGU уже много лет использует наночастицы золота в качестве сенсоров для обнаружения крошечных количеств белков в микроскопических проточных ячейках. Наночастицы золота действуют как маленькие антенны для света: они сильно поглощают и рассеивают его, поэтому кажутся красочными. Они реагируют на изменения в окружающей среде изменением цвета. Команда Соенничсена использовала эту концепцию для имплантации медицинских датчиков.

Чтобы крошечные частицы не уплыли или не разложились иммунными клетками, они заключены в пористый гидрогель, имеющий тканеподобную консистенцию. После имплантации под кожу мелкие кровеносные сосуды и клетки прорастают в поры. Датчик встроен в ткань и не отбрасывается как инородное тело. «Наш датчик похож на невидимую татуировку, размером не больше пенни и тоньше одного миллиметра», – сказал профессор Карстен Соенничсен, глава группы нанобиотехнологий в JGU. Поскольку наночастицы золота являются инфракрасными, они не видны глазу. Однако специальный измерительный прибор может определять их цвет неинвазивно через кожу.

В своем исследовании, опубликованном в Nano Letters исследователи JGU имплантировали свои датчики наночастиц золота под кожу безволосых крыс. За изменением цвета этих сенсоров следили после введения различных доз антибиотика. Молекулы лекарства транспортируются к датчику через кровоток. Связываясь со специфическими рецепторами на поверхности наночастиц золота, они вызывают изменение цвета, зависящее от концентрации лекарства. Благодаря стабильным по цвету золотым наночастицам и интегрирующему с тканями гидрогелю было обнаружено, что датчик оставался механически и оптически стабильным в течение нескольких месяцев.

Огромный потенциал наночастиц золота как долговечных имплантируемых медицинских датчиков

«Мы привыкли к тому, что цветные объекты со временем обесцвечиваются. Золотые наночастицы, однако, не обесцвечивают, а постоянно сохраняют свой цвет. Поскольку на них можно легко наносить различные рецепторы, они являются идеальной платформой для имплантируемых датчиков. , " объяснила д-р Катарина Кефер, первый автор исследования.

Новую концепцию можно обобщить и она может продлить срок службы имплантируемых датчиков. В будущем имплантируемые сенсоры на основе наночастиц золота можно будет использовать для одновременного наблюдения за концентрациями различных биомаркеров или лекарств в организме. Такие датчики могут найти применение в разработке лекарств, медицинских исследованиях или персонализированной медицине, например, при лечении хронических заболеваний.

Междисциплинарная командная работа принесла успех

Зеннихсену пришла в голову идея использовать наночастицы золота в качестве имплантированных сенсоров еще в 2004 году, когда он начал свои исследования в области биофизической химии в качестве младшего профессора в Майнце. Однако проект был реализован только через десять лет в сотрудничестве с доктором Тизом Шредером и доктором Катариной Кефер, учеными из JGU. Шредер имел опыт в биологических исследованиях и лабораторных исследованиях животных и уже провел несколько лет исследовательской работы в США. Кефер искала интересную тему для своей докторской диссертации, и ее особенно интересовал сложный и междисциплинарный характер проекта. Первые результаты привели к стипендии, присужденной Kaefer Высшим учебным заведением Макса Планка (MPGC), а также финансовой поддержке Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation. «Для такого проекта требуется много людей с разным научным опытом. Постепенно мы смогли убедить все больше и больше людей в своей идее», – радостно сказал Соеннихсен . В конечном итоге именно междисциплинарная командная работа привела к успешной разработке первого функционального имплантированного сенсора с наночастицами золота.

Источник: https://www.uni-mainz.de/