Цивилизация
Российские ученые из НИИ биологии Иркутского государственного университета совместно с коллегами из Финляндии и Сингапура разработали микросенсоры, которые отследили физиологическое состояние небольших по размеру животных на примере рыбок данио-рерио (Danio rerio). В будущем новый метод поможет отслеживать и замечать разнообразные нарушения в работе организма человека. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ) и опубликованы в журнале PLOS ONE.
«Совместно с нашими коллегами из группы профессора Игоря Меглинского из Университета Оулу в Финляндии и из группы доктора Антона Садового из Сингапура мы впервые разработали простой и широко применяемый подход, который позволил отследить физиологические параметры и состояние очень маленьких лабораторных животных – развивающихся рыбок данио-рерио. Для этого мы использовали имплантируемые микросенсоры, которые можно ввести в организм без вреда для здоровья», — сообщил доктор биологических наук, директор НИИ биологии Иркутского государственного университета, исполнитель гранта РНФ и один из авторов исследования Максим Тимофеев.
Используемые микросенсоры — это полупроницаемые микрокапсулы, наполненные специальным красителем, чей спектр свечения специфично чувствителен к показателю кислотности (pH) или таким параметрам, как некоторые ионы, метаболиты, гормоны.
Изучая небольших животных, к которым относятся развивающиеся эмбрионы рыб, можно узнать о разнообразных нарушениях в работе организма позвоночных (в том числе человека), а также токсичности новых химических соединений, например, медикаментов и косметических средств. Подобные исследования, однако, требуют проведения огромного количества биологических анализов. Авторы статьи имплантировали в организм эмбрионов рыб микросенсоры, которые позволяют отслеживать состояние здоровья животных, капсулы, оснащенные чувствительным к кислотности крови (pH) красителем. С изменением кислотности меняется спектр флуоресценции (свечения) красителя.
Кислотность крови — очень важный показатель, который может рассказать про общее состояние организма. Например, у рыб при нормальном физиологическом состоянии pH колеблется в районе 7,7–7,8 (нейтральное значение pH равно семи, то есть pH крови рыб слабощелочной). Изменение кислотности говорит о наличии проблем со здоровьем. Например, при гипоксии (недостатке кислорода) в крови накапливается углекислый газ, что снижает показатель pH.
В своем эксперименте биологи ввели в организм рыбок данио-рерио капсулы с флуоресцентным красителем. Эти чувствительные микрочастицы попали в кровоток животных и разнеслись по всему организму. Затем ученые поместили рыб под флуоресцентный микроскоп. Он фокусировался на отдельных капиллярах с микрокапсулами красителя внутри, присоединенный к микроскопу спектрометр снимал спектры флуоресценции и после этого переводил их в значения кислотности.
Сенсоры позволили отследить, как изменяется показатель кислотности в организме рыб. Например, при нормальном состоянии данио-рерио сенсоры фиксировали pH в районе 7,3-7,5. По словам ученых, такие сравнительно небольшие отклонения от среднего нормальны для этого виды рыб. Если подопытные рыбки впадали в кому или умирали по естественным причинам, то показатель pH снижался до значений около 6,8-7,0.
«Предложенный метод чувствителен к критическим изменениям в состоянии рыбы, таким как наступление комы или смерть, однако это лишь первый этап в развитии технологии оптических микросенсоров. Надо сказать, что ключевой проблемой применения таких микросенсоров в теле млекопитающих, в том числе человека, и многих других организмов является собственная автофлуоресценция их покровов, которой нет в случае эмбрионов. Другими, словами, под флуоресцентным микроскопом наша кожа сама светится и создает фон, заглушающий сигнал от микросенсоров, которые могут быть в нее имплантированы. Сейчас мы работаем над методикой получения нового поколения микросенсоров, работающих немного иначе и свободных от этой проблемы. Такие микросенсоры будут светиться очень ярко, станут более применимы в биомедицине. А это открывает широкие перспективы их использования в практических медицинских целях, например, для постоянного мониторинга самочувствия пациентов с разнообразными хроническими заболеваниями или, с другой стороны, в агропромышленных производствах, для контроля состояния сельскохозяйственных животных», — заключил Максим Тимофеев.
