Изменение цвета наночастиц золота под кожей показывает изменение концентрации веществ в организме. Идея имплантируемых датчиков, которые непрерывно передают информацию о жизненно важных значениях и концентрациях веществ или лекарств в организме, долгое время очаровывала врачей и ученых. Такие датчики позволяют постоянно отслеживать прогрессирование заболевания и эффективность лечения. Однако до сих пор имплантируемые датчики не могли оставаться в организме постоянно, и их приходилось заменять через несколько дней или недель. С одной стороны, существует проблема отторжения имплантата, потому что организм распознает датчик как инородный объект. С другой стороны, цвет датчика, указывающий на изменение концентрации, до сих пор был нестабильным и со временем стал блекнуть.

Ученые из Университета Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) разработали новый тип имплантируемого датчика, который может работать в организме в течение нескольких месяцев. Датчик основан на устойчивых к цвету наночастицах золота, которые модифицированы рецепторами для определенных молекул. Нанозолото, внедренное в искусственную полимерную ткань, имплантируется под кожу, где оно сообщает об изменениях концентрации лекарства, изменяя свой цвет.

Имплант сообщает информацию как «невидимую татуировку».

Исследовательская группа профессора Карстена Зённичсена в JGU уже много лет использует наночастицы золота в качестве датчиков для обнаружения крошечных количеств белков в микроскопических проточных ячейках. Наночастицы золота действуют как маленькие антенны для света: они сильно его поглощают и рассеивают, поэтому кажутся красочными. Они реагируют на изменения в окружающей среде изменением цвета. Команда Зённичсена использовала эту концепцию для имплантации медицинских датчиков.

Чтобы крошечные частицы не уплыли или не разложились иммунными клетками, они заключены в пористый гидрогель, имеющий тканевидную консистенцию. После имплантации под кожу мелкие кровеносные сосуды и клетки прорастают в поры. Датчик встроен в ткань и не отклоняется как инородное тело. «Наш сенсор похож на невидимую татуировку, он не больше копейки и тоньше одного миллиметра», — сказал профессор Карстен Зённиксен, глава группы нанобиотехнологий в JGU. Поскольку наночастицы золота являются инфракрасными, они не видны глазу. Однако специальный измерительный прибор может неинвазивно определять их цвет через кожу.

В своем исследовании, опубликованном в Nano Letters, исследователи JGU имплантировали свои датчики с наночастицами золота под кожу безволосых крыс. За изменением цвета этих сенсоров следили после введения различных доз антибиотика. Молекулы лекарства транспортируются к датчику через кровоток. Связываясь со специфическими рецепторами на поверхности наночастиц золота, они вызывают изменение цвета, зависящее от концентрации лекарства. Благодаря стабильным по цвету наночастицам золота и гидрогелю, интегрирующему ткани, датчик оставался механически и оптически стабильным в течение нескольких месяцев.

Огромный потенциал наночастиц золота как долговечных имплантируемых медицинских датчиков

«Мы привыкли, что цветные предметы со временем обесцвечиваются. Однако наночастицы золота не обесцвечиваются, а постоянно сохраняют свой цвет. Поскольку они могут быть легко покрыты различными рецепторами, они являются идеальной платформой для имплантируемых датчиков», — пояснила доктор Катарина Кефер, первый автор исследования.

Новая концепция является универсальной и может продлить срок службы имплантируемых датчиков. В будущем имплантируемые сенсоры на основе наночастиц золота можно будет использовать для одновременного наблюдения за концентрациями различных биомаркеров или лекарств в организме. Такие датчики могут найти применение при разработке лекарств, медицинских исследованиях или персонализированной медицине, например, при лечении хронических заболеваний.

Междисциплинарная командная работа принесла успех

У Сенниксена возникла идея использовать наночастицы золота в качестве имплантированных сенсоров еще в 2004 году, когда он начал свои исследования в области биофизической химии в качестве младшего профессора в Майнце. Однако проект был реализован только через десять лет в сотрудничестве с доктором Тизом Шредером и доктором Катариной Кефер, учеными из JGU. Шредер имел опыт в биологических исследованиях и лабораторных исследованиях животных и уже провел несколько лет исследовательской работы в США. Кефер искала интересную тему для своей докторской диссертации, и ее особенно интересовал сложный и междисциплинарный характер проекта. Первоначальные результаты привели к стипендии, присужденной Кефер Высшим учебным заведением им. Макса Планка (MPGC), а также финансовой поддержке Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation.

«Для такого проекта требуется много людей с разным научным образованием. Постепенно мы смогли убедить все больше и больше людей в своей идее», — радостно сказал Зённичсен. В конечном итоге именно междисциплинарная командная работа привела к успешной разработке первого функционального имплантированного сенсора с наночастицами золота.