Новый нанотрубочный сенсор может непрерывно отслеживать минимальные количества инсулина

Новый метод, использующий нанотехнологии для быстрого измерения ничтожно малых количеств инсулина, — это крупный шаг к разработке возможности оценивать состояние инсулин-продуцирующих клеток организма в реальном времени.

Среди прочих потенциальных применений этот метод может быть использован для повышения эффективности новой процедуры лечения диабета 1-го типа (ювенильного), которая продемонстрировала способность освобождать диабетиков от инъекций инсулина на несколько лет. Процедура работает путем трансплантации инсулин-продуцирующих клеток в печень диабетиков для замены клеток, которые болезнь отключила или уничтожила.

Новый метод обнаружения инсулина был разработан группой исследователей из Университета Вандербильта под руководством доцента химии Дэвида Клиффела и описан в выпуске журнала Analytica Chimica Acta от 18 февраля.

Для этого исследователи разработали новый электрод для устройства под названием микрофизиометр. Микрофизиометр оценивает состояние живых клеток, помещая их в жидкую питательную среду, ограничивая в очень маленькой камере и затем измеряя изменения в их метаболизме. Объем камеры составляет всего три микролитра — примерно 1/20 часть размера обычной капли дождя — что позволяет электроду обнаруживать ничтожные количества инсулина, выделяемого особыми клетками поджелудочной железы, называемыми островками Лангерганса.

Новый электрод построен из многостенных углеродных нанотрубок, которые похожи на несколько плоских листов атомов углерода, сложенных и свернутых в очень маленькие трубки. Нанотрубки, предоставленные Уильямом Хофмейстером из Института космических исследований Университета Теннесси, являются электропроводящими, а концентрация инсулина в камере может быть напрямую связана с током на электроде. Нанотрубки надежно работают при уровнях pH, характерных для живых клеток.

Современные методы обнаружения измеряют выработку инсулина с интервалами, периодически собирая небольшие образцы и измеряя уровень инсулина в них. Новый сенсор обнаруживает уровень инсулина непрерывно, измеряя перенос электронов, образующихся при окислении молекул инсулина в присутствии глюкозы. Когда клетки производят больше молекул инсулина, ток в сенсоре увеличивается, и наоборот, что позволяет исследователям контролировать концентрацию инсулина в реальном времени. Это похоже на устройство, разработанное другой группой исследователей, которое работало при уровнях кислотности, далеко выходящих за пределы тех, при которых могут функционировать живые клетки.

Предыдущие тесты показали, что нанотрубочные электроды более чувствительны при измерении инсулина, чем обычные методы. Однако исследователям пришлось преодолеть серьезное препятствие, чтобы адаптировать их для работы в микрофизиометре.

В маленькой камере они обнаружили, что жидкость движется вдоль поверхности электрода, а не давит на нее. Эти микротоки имели тенденцию сметать нанотрубки в сторону, а не прижимать их к поверхности электрода, где можно измерить их электрическую активность. Исследователи решили эту проблему, смешав нанотрубки с химическим веществом под названием дигидропиран — небольшой молекулой, которая образует химические связи, стабилизирующие нанотрубочную пленку и приклеивающие ее к поверхности электрода.

«Одним из ключевых достижений этого проекта было выяснение того, как сохранить нанотрубки активными на поверхности, не смывая их микрофлюидными потоками», — говорит Клиффел.

Теперь, когда микрофизиометр продемонстрировал способность быстро обнаруживать малые количества инсулина, производимые отдельными клетками, исследователи надеются использовать его для определения состояния островковых клеток, предназначенных для трансплантации.

Исследователи из Университета Альберты показали, что островковые клетки можно трансплантировать пациенту с диабетом 1-го типа, и это может значительно снизить зависимость от инсулина на несколько лет. К сожалению, эти трансплантации требуют больших доз иммунодепрессантов, и ученые еще не знают, как эти препараты влияют на состояние островковых клеток.

Один из следующих шагов — использование микрофизиометра для одновременного измерения уровня инсулина, лактата и кислорода. Это позволит исследователям изучить, как островковые клетки реагируют на препараты, и поможет определить лучший способ борьбы с отторжением трансплантата. Это также позволит проверить состояние островковых клеток до их трансплантации пациентам.

Источник: Университет Вандербильта