Сотрудники Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) совместно с коллегами
разработали модель медицинского сенсора для анализа дыхания на основе цианобактерий Arthrospira
platensis, известных как спирулина.
Образцы биосенсоров проявляли разные свойства в зависимости от материала, на который наносили раствор из
бактериальных клеток. Так, устройство на кремниевой подложке реагировало на содержание в выдохе паров воды,
перекиси водорода, уксуса и спирта, а образец на основе углеродных волокон обладал чувствительностью к
нажатию на него и к вибрации поверхности, на которой располагался. Это позволит создать из экологичного
сырья простые и многофункциональные портативные датчики для спортсменов, а также для пациентов с астмой и
сердечными заболеваниями с целью диагностики и мониторинга их состояния. Результаты исследования, поддержанногогрантами Российского научного фонда
(РНФ), опубликованы в Microchemical
Journal.
Выдыхаемый человеком воздух содержит смесь различных газов: азота, углекислого газа, паров воды, а также
более 870 других химических соединений. Концентрация этих веществ меняется в зависимости от состояния
здоровья. Например, при диабете в выдыхаемом воздухе появляются пары ацетона, а при некоторых заболеваниях
сердца — перекиси водорода. Непрерывный мониторинг дыхания может помочь врачам вовремя заметить и
предотвратить ухудшение состояния пациентов с подобными заболеваниями. Для этого необходимы небольшие и
доступные устройства для использования как в больницах, так и в домашних условиях, чтобы немедленно получать
данные об изменениях в дыхании.
Руководитель проекта Ирина
Антонова и участник проекта Артём Иванов, сотрудники Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО
РАН
Сотрудники ИФП СО РАН совместно с коллегами из Объединённого института высоких температур РАН (Москва) и
Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова предложили использовать для
анализа дыхания цианобактерии Arthrospira platensis, известные в качестве пищевой добавки под названием
спирулина. Эти и другие цианобактерии используются в медицине благодаря антимикробным, адсорбционным и
другим полезным свойствам, а также способности вырабатывать при своем росте и развитии кислород,
синтезировать некоторые углеводы, белки, алкалоиды и микроэлементы. Кроме того, эти микроорганизмы легко
выращивать в лабораторных и промышленных условиях.
Из высушенной биомассы цианобактерий Arthrospira platensisучёные приготовили две суспензии,
состоящие из разных компонентов цианобактерий. Одна содержала части мембран (клеточных оболочек) спирулины,
а вторая — внутриклеточные структуры. Полученные суспензии наносили в виде тонких плёнок на подложки из
разных материалов. На кремниевые подложки растворы помещали каплями или наносили с помощью струйного
принтера. Авторы также изготовили образцы с плёнками спирулины на подложках из углеродных волокон с
добавлением полимера Nafion. Полимер образовывал на поверхности слоя цианобактерий мембрану, которая
сохраняла его химическую структуру неизменной при попадании паров воды или других веществ.
Выращивание цианобактерий в
лабораторных условиях
После этого авторы изучили, как образцы реагируют на дыхание участников исследования. Оказалось, что при
выдохе электрическое сопротивление устройств снижалось в 10–100 тысяч раз, причем при выдохе разных людей
наблюдалась существенная разница. На результат влияли возраст человека, его пол, физическая форма и
состояние здоровья. Так, мужчина выдыхал больший объём воздуха, чем женщина, при равных усилиях, сильнее
снижая сопротивление образца. Наиболее выраженной была реакция у плёнок, которые печатали на подложке с
помощью принтера, поскольку в этом случае они имели более однородную структуру и равномерную толщину.
Исследователи также отметили, что устройства, содержащие внутриклеточные структуры цианобактерий,
реагировали на изменение состава воздуха в течение 22–28 секунд, тогда как время отклика слоя из клеточных
мембран составило 50–55 секунд.
Образцы на кремниевой подложке были чувствительны к наличию в выдыхаемом воздухе воды, уксуса, спирта и
перекиси водорода. Содержание последнего соединения в организме увеличивается при нарушении работы клеток
сердца, которое может представлять опасность для жизни. Применение разработанных датчиков позволит
своевременно выявлять подобные патологии.
Надежда Чернова и Софья
Киселёва, участники проекта из МГУ, где культивировались цианобактерии
Экземпляры на подложке из углеродных волокон с полимерным покрытием не реагировали на изменение состава
выдыхаемого воздуха, однако их сопротивление возрастало от механического воздействия — например, вибрации от
удара вблизи места, где лежал образец. Это свойство можно использовать для создания сенсорных систем
управления устройством. Кроме того, оно позволит спроектировать медицинские датчики для пациентов с угрозой
остановки дыхания. Также образцы на основе углеродных волокон были гибкими и сохраняли функции при изгибе
пластины до двух миллиметров.
Полученные результаты позволят разработать многофункциональные устройства для мониторинга состояния людей
с заболеваниями органов дыхания, сердца и диабетом. При этом цианобактерии — доступный, безопасный и
экологичный материал. Их легко выращивать и поддерживать как в лаборатории, так и в промышленных установках
открытого и закрытого типа.
Участники проекта Марина
Шавелкина и сотрудник лаборатории плазмы ОИВТ РАН Виктор Киселёв
«В этом исследовании мы получили перспективные экспериментальные результаты. В будущем планируем
испытать реакцию образцов на подложках из других материалов, например, графена. Также собираемся
проверить возможность применения цианобактерий, культивируемых в различных средах. Дальнейшие
исследования позволят нам разработать готовый к массовому производству опытный образец для
персонализированного мониторинга здоровья как спортсменов, так и людей с различными
заболеваниями», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ,
Марина Шавелкина, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
лаборатории плазмы ОИВТ РАН.
Источник: пресс-служба РНФ.