Датчик-киборг, который может раскрыть секреты анестезии

Исследователи из Пенсильванского университета создали искусственный химический сенсор на основе одного из важнейших рецепторов человеческого организма — мю-опиоидного рецептора, критически важного для действия обезболивающих и анестетиков. В этих устройствах активация рецепторов вызывает не биохимический, а электрический отклик, который может быть считан компьютером.

Ключевые достижения

• Гибридная технология: Модифицированная версия человеческого мю-опиоидного рецептора прикреплена к полоскам графена.
• Массовое производство: Этот подход открывает путь к массовому производству устройств для разработки лекарств и диагностических тестов.
• Междисциплинарный прорыв: Работа объединила усилия физиков, химиков и медиков.

Научная основа

1. Вычислительный дизайн белка: Группы Джеффри Сэйвена (химия) и Реню Лю (анестезиология) использовали компьютерные методы для перепроектирования рецептора. Натуральный рецептор нерастворим в воде и токсичен для E. coli, что затрудняет эксперименты.
2. Стабильное связывание: Вычислительно перепроектированный белок можно легко выращивать и напрямую прикреплять к графену, без дополнительных биологических структур мембраны.
3. Электрическое детектирование: При связывании с целевым веществом (например, лекарством) рецепторы изменяют электрические свойства окружающего графена. Эти изменения преобразуются в электрические сигналы, считываемые электродами.

Эксперимент и потенциал

• В эксперименте устройства успешно детектировали концентрацию налтрексона — препарата для лечения алкогольной и опиоидной зависимости.
• Устройства позволяют измерять множество сенсоров одновременно, усредняя результаты и снижая уровень шума.
• На одном чипе можно разместить разные типы рецепторов для многопараметрического тестирования.

Значение и перспективы

• Понимание механизмов: Работа с такими устройствами может помочь лучше понять, как биомолекулярная система работает в организме, в частности, как рецепторы различают агонисты (например, морфин) и антагонисты (например, налтрексон).
• Разработка лекарств: По словам Реню Лю, этот инструмент может помочь в разработке новых опиоидов, которые минимизируют побочные эффекты (сильную зависимость и угнетение дыхания), сохраняя анальгетический эффект.
• Масштабирование: Однородность графена позволяет изготавливать 192 устройства на одном чипе размером в один дюйм одновременно, открывая путь к крупносерийному производству.

"Это именно тот проект, который делает возможным кампус Пенна", — говорит Джеффри Сэйвен.