В нашу жизнь все больше входят самые разные носимые и имплантируемые биомедицинские устройства: кардиостимуляторы, финтес-трекеры, биосенсоры и т.п. Эти электронные «помощники» становятся все сложнее и требуют надежного и постоянного источника электрического тока. Сейчас ученые разработали электрохимический источник тока, работающий на глюкозе из крови, и успешно опробовали его в приборе для контроля за диабетом на лабораторных животных
Биоэлектронные медицинские имплантаты становятся все более многозадачными. К примеру, они могут вести в организме мониторинг уровня определенных биомаркеров и на основе этой информации запускать производство терапевтических белков в специальных генно-инженерных «дизайнерских» клетках. Но пока использование таких устройств связано с рядом проблем.
Проблема совместимости между биологическими и электронными системами решается благодаря последним достижениям так называемой синтетической биологии – нового научного направления, занимающегося созданием биологических систем с заданными свойствами, в том числе не имеющими аналогов в природе. Но есть другая серьезная проблема – источник энергии. Таким относительно простым устройствам, как кардиостимуляторы, хватает батарейки. Сложные системы работать так уже не смогут.
Но выход есть. В принципе, для производства электроэнергии можно использовать высокоэнергетические метаболиты, содержащиеся в циркулирующих жидкостях организма. Особенно многообещающим «топливом» является моносахарид глюкоза, один из самых распространенных источников энергии для клеток организма.
Реализуя эту идею, швейцарские ученые создали прототип имплантируемого источника питания – своего рода гальванический элемент, который использует для выработки электроэнергии избыточную глюкозу крови. Его главная рабочая часть – анод, где протекает каталитическая окислительная реакция, – создана на основе наночастиц оксида меди (CuO). На аноде глюкоза превращается в глюконовую кислоту, что сопровождается образованием протонов (H+) и электронов (e–), а на катоде происходит восстановление кислорода с образованием воды и выделением энергии.
Само устройство покрыто целлюлозной диализной мембраной и биосовместимым альгинатным гидрогелем, что обеспечивает его защиту и позволяет глюкозе свободно проходить внутрь. Внешне такой источник тока напоминает небольшой чайный пакетик, который можно имплантировать под кожу.
На следующем этапе исследователи создали на основе своей разработки автономный прибор, способный корректировать в организме уровень гормона инсулина. Для этого они объединили источник энергии с созданными ранее генно-инженерными бета-клетками поджелудочной железы человека. Эти клетки были модифицированы таким образом, чтобы производить и секретировать инсулин в ответ на электрические или оптогенетические стимулы.
Как известно, после еды в крови повышается уровень глюкозы, который и обнаруживают бета-клетки поджелудочной железы, высвобождая в ответ инсулин, который способствует усвоению глюкозы, поддерживая ее нормальный уровень в крови. При сахарном диабете бета-клетки разрушаются либо начинают вырабатывать недостаточное количество инсулина, поэтому больным приходится регулярно принимать этот гормон – обычно в виде инъекций.
Новое устройство способно эффективно снижать уровень глюкозы в крови подобно настоящим клеткам поджелудочной железы. При избытке глюкозы источник энергии активируется, начиная производить электрический ток, который стимулирует «дизайнерские» бета-клетки к выработке и высвобождению инсулина. Уровень глюкозы падает до нормального, после чего производство как электричества, так и инсулина прекращается.
В результате контроль над диабетом становится полностью автономным и самодостаточным. Производимого электричества хватит для взаимодействия устройства с внешними девайсами, например, со смартфоном, чтобы вносить коррективы в работу системы.
Исследователи успешно протестировали устройство на лабораторных мышах с диабетом 1-го типа. Уровень инсулина в крови животных достигал пика уже через полчаса после повышения уровня глюкозы в крови, который затем восстанавливался до нормы, характерной для здоровых мышей.
К сожалению, ученым пока не удается превратить прототип устройства в товарный продукт – для этого нужны финансовые и людские ресурсы, которыми они на данный момент не располагают. Но разработчики надеются, что в будущем люди действительно смогут контролировать диабет с помощью их уникального прибора.