Учёные из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) разработали миниатюрный сенсор, который позволяет гораздо точнее отслеживать метаболиты – вещества, образующиеся или используемые организмом при переработке пищи, лекарств, жиров и мышечной ткани в ходе метаболических процессов.
Эта инновационная технология может открыть новые возможности для диагностики и лечения заболеваний, мониторинга реакции пациентов на терапию, а также ускорить разработку более эффективных лекарственных препаратов. Уникальность сенсора заключается в том, что он повторяет естественные биохимические процессы, происходящие в организме, фиксируя преобразования и взаимодействие молекул.
Группа исследователей из Института наносистем UCLA назвала своё изобретение "сенсорами тандемных метаболических реакций" (TMR-сенсоры). По сути, они функционируют как миниатюрные химические лаборатории, анализирующие метаболиты. Основа сенсоров – крошечные электроды, изготовленные из углеродных нанотрубок с одиночными стенками. На поверхность этих электродов учёные наносят ферменты и коферменты – молекулы, которые ускоряют химические реакции.
Когда целевой метаболит приближается к сенсору, ферменты запускают специфическую химическую реакцию. В некоторых случаях сенсор сразу фиксирует метаболит, а если это невозможно, он сначала преобразуется в другое соединение, которое можно обнаружить. Этот процесс имитирует естественные метаболические пути организма. Именно благодаря такой последовательности реакций сенсор получил название "тандемного".
Ключевую роль в работе сенсора играет движение электронов. Когда ферменты взаимодействуют с метаболитом, происходит электронный обмен, создающий электрический ток на поверхности нанотрубок. Сенсор измеряет силу этого тока: чем больше метаболита, тем выше показатель, и наоборот. Таким образом, устройство использует естественные химические процессы, чтобы преобразовывать наличие метаболита в измеряемый электрический сигнал.
С помощью дополнительного этапа преобразования TMR-сенсоры способны обнаруживать более двух третей всех известных метаболитов в организме. Это позволяет получить детальную картину состояния пациента и его реакции на лечение.
По словам учёных, технология может значительно помочь в ранней диагностике сердечно-сосудистых заболеваний и подборе индивидуальных терапевтических стратегий. Также её можно использовать для оптимизации спортивных тренировок, отслеживая, как организм перерабатывает энергию при нагрузках. Кроме того, сенсоры способны анализировать влияние экспериментальных лекарств на метаболизм, что поможет улучшить их эффективность.
Старший автор исследования, Сэм Эмаминежад, отмечает, что эти сенсоры могут пролить свет на сложные взаимосвязи между кишечником и мозгом.
"Одной из главных проблем в изучении взаимодействия кишечника и мозга является необходимость фиксировать изменения в динамике. Инструмент, который позволяет непрерывно отслеживать метаболиты, а не опираться на разовые лабораторные анализы, поможет раскрыть механизмы этой взаимосвязи. Теперь у нас есть возможность проверять гипотезы, ранее недоступные из-за нехватки данных, и лучше понимать, как работа кишечника влияет на здоровье – от воспалительных процессов и психического состояния до развития хронических заболеваний", – пояснил учёный.
Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
