Носимые технологии начинают менять подход к управлению здоровьем. Системы непрерывного мониторинга глюкозы, измеряющие уровень сахара у пациентов с диабетом, уже продемонстрировали ценность отслеживания важных молекул в реальном времени. Следующим шагом станет контроль других медицински значимых веществ. Однако это значительно сложнее, поскольку большинство таких молекул присутствует в гораздо меньших концентрациях, чем глюкоза. Одной из областей, которую такие технологии могут кардинально изменить, является лекарственная терапия. Многие сильнодействующие препараты до сих пор контролируются с помощью анализов крови, которые дают лишь разовые «снимки» того, как организм пациента перерабатывает лекарство. Для препаратов, требующих точной дозировки, врачи могут упустить момент, когда лечение становится неэффективным или начинает угрожать органам, отвечающим за переработку лекарства.
Исследовательская группа под руководством UCLA разработала платформу микроигольчатых сенсоров, предназначенную для решения этой проблемы за счёт непрерывного, минимально инвазивного мониторинга в коже. В исследовании, опубликованном в журнале Science Translational Medicine, учёные показали на крысах, что сенсоры могут работать непрерывно в течение шести дней, отслеживать концентрации лекарств и давать информацию о работе почек и печени по скорости их выведения.
Это достижение может привести к будущему, в котором врачи смогут персонализировать дозировки в реальном времени и раньше вмешиваться при ухудшении функции органов. Помимо контроля лекарств, технология может расширить возможности непрерывного молекулярного мониторинга при различных заболеваниях, где важна динамика изменений.
«Мы показываем, что измерения всего в миллиметре под кожей могут давать клинически значимую информацию о состоянии глубоко расположенных органов», — отметил автор исследования Сам Эмаминеджад. «Непрерывно отслеживая лекарства и то, как почки и печень их перерабатывают, можно раньше выявлять нарушения и точнее корректировать лечение».
Разработка для высокой точности и долговечности
Обычно микроигольчатый сенсор работает так: на его поверхности размещаются молекулы-детекторы, способные распознавать определённое вещество. Когда целевая молекула связывается с ними, изменяется электрический сигнал. Новая конструкция сенсора защищает эти молекулы и одновременно значительно повышает чувствительность устройства.
Это достигается за счёт золотого покрытия с нанометровыми полостями — крошечными структурами, видимыми только на уровне миллиардных долей метра. Молекулы-датчики располагаются внутри этих полостей, где они защищены от механического воздействия кожи и накопления белков и других веществ, мешающих измерениям. Такая защита позволила увеличить время работы сенсора у свободно движущихся крыс с нескольких часов до шести дней. Кроме того, текстурированная поверхность значительно увеличивает активную площадь для обнаружения молекул.
«Увеличив эффективную площадь почти в сто раз по сравнению с гладкой иглой, мы создали больше пространства для сенсоров и одновременно защитили их, усилив сигнал и снизив шум», — отметил первый автор исследования Цзялунь Чжу. Благодаря высокой чувствительности достаточно одной микроиглы для отслеживания одной молекулы. Это открывает возможность создания систем, способных одновременно контролировать несколько веществ с помощью разных игл в одном пластыре. Также было показано, что платформа поддерживает разные типы сенсорных технологий, включая ДНК-основанные и антительные методы. Процесс производства разработан с учётом масштабирования: стоимость одной микроиглы при массовом производстве составляет около 1,50 доллара.
Контроль выведения лекарств и раннее выявление повреждений органов
В доклинических экспериментах исследователи отслеживали два препарата: химиотерапевтический, перерабатываемый печенью, и антибиотик, выводимый почками. «Это лекарства, где небольшое снижение дозы делает лечение неэффективным, а превышение может повредить те же органы, которые их выводят», — пояснил Эмаминеджад. Непрерывное отслеживание изменений концентрации препаратов позволило оценить, насколько эффективно работают органы. У крыс с повреждением печени наблюдалось замедленное выведение химиопрепарата, а при поражении почек — антибиотика. В одном из экспериментов животных наблюдали в течение двух недель прогрессирующей почечной дисфункции и последующих двух недель восстановления. Данные сенсоров показали снижение скорости выведения препарата с последующим улучшением при восстановлении. Интересно, что уже в первую неделю повреждения почек сенсор фиксировал нарушения выведения, тогда как уровень креатинина в крови — стандартный показатель функции почек — оставался в пределах нормы. Это говорит о том, что технология может выявлять проблемы раньше традиционных методов. «Мы хотим понять, может ли такой мониторинг предотвратить повреждения от антибиотиков и химиотерапии», — отметил Эмаминеджад. «Есть реальная возможность лучше защитить пациентов от побочных эффектов, выявляя проблемы раньше и быстрее корректируя лечение. В более широком смысле этот подход может расширить возможности непрерывного мониторинга многих молекул и помочь раньше выявлять заболевания».
