Ученые разработали модель медицинского сенсора для анализа дыхания на основе цианобактерий Arthrospira platensis, известных как спирулина. Образцы биосенсоров проявляли разные свойства в зависимости от материала, на который наносили раствор из бактериальных клеток. Так, устройство на кремниевой подложке реагировало на содержание в выдохе паров воды, перекиси водорода, уксуса и спирта, а образец на основе углеродных волокон обладал чувствительностью к нажатию на него и к вибрации поверхности, на которой располагался. Это в перспективе позволит создать из экологичного сырья простые и многофункциональные портативные датчики для спортсменов, а также для пациентов с астмой и сердечными заболеваниями с целью диагностики и мониторинга их состояния. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Microchemical Journal.

Выдыхаемый человеком воздух содержит смесь различных газов: азота, углекислого газа, паров воды, а также более 870 других химических соединений. Концентрация этих веществ меняется в зависимости от состояния здоровья. Например, при диабете в выдыхаемом воздухе появляются пары ацетона, а при некоторых заболеваниях сердца — перекиси водорода. Непрерывный мониторинг дыхания может помочь врачам вовремя заметить и предотвратить ухудшение состояния пациентов с подобными заболеваниями. Для этого необходимы небольшие и доступные устройства для использования как в больницах, так и в домашних условиях, чтобы немедленно получать данные об изменениях в дыхании.

Ученые из Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН (Новосибирск) совместно с коллегами предложили использовать для анализа дыхания цианобактерии Arthrospira platensis, известные в качестве пищевой добавки под названием спирулина. Эти и другие цианобактерии используются в медицине благодаря антимикробным, адсорбционным и другим полезным свойствам, а также способности вырабатывать при своем росте и развитии кислород, синтезировать некоторые углеводы, белки, алкалоиды и микроэлементы. Кроме того, эти микроорганизмы легко выращивать в лабораторных и промышленных условиях.

Из высушенной биомассы цианобактерий Arthrospira platensis ученые приготовили две суспензии, состоящие из разных компонентов цианобактерий. Одна содержала части мембран (клеточных оболочек) спирулины, а вторая — внутриклеточные структуры. Полученные суспензии наносили в виде тонких пленок на подложки из разных материалов. На кремниевые подложки растворы помещали каплями или наносили с помощью струйного принтера. Авторы также изготовили образцы с пленками спирулины на подложках из углеродных волокон с добавлением полимера Nafion. Полимер образовывал на поверхности слоя цианобактерий мембрану, которая сохраняла его химическую структуру неизменной при попадании паров воды или других веществ.

Выращивание цианобактерий в лабораторных условиях. Фото предоставлено Мариной Шавелкиной

После этого авторы изучили, как образцы реагируют на дыхание участников исследования. Оказалось, что при выдохе электрическое сопротивление устройств снижалось в 10–100 тысяч раз, причем при выдохе разных людей наблюдалась существенная разница. На результат влияли возраст человека, его пол, физическая форма и состояние здоровья. Так, мужчина выдыхал больший объем воздуха, чем женщина, при равных усилиях, сильнее снижая сопротивление образца. Наиболее выраженной была реакция у пленок, которые печатали на подложке с помощью принтера, поскольку в этом случае они имели более однородную структуру и равномерную толщину. Ученые также отметили, что устройства, содержащие внутриклеточные структуры цианобактерий, реагировали на изменение состава воздуха в течение 22–28 секунд, тогда как время отклика слоя из клеточных мембран составило 50–55 секунд.

Образцы на кремниевой подложке были чувствительны к наличию в выдыхаемом воздухе воды, уксуса, спирта и перекиси водорода. Содержание последнего соединения в организме увеличивается при нарушении работы клеток сердца, которое может представлять опасность для жизни. Применение разработанных датчиков позволит своевременно выявлять подобные патологии.

Экземпляры на подложке из углеродных волокон с полимерным покрытием не реагировали на изменение состава выдыхаемого воздуха, однако их сопротивление возрастало от механического воздействия — например, вибрации от удара вблизи места, где лежал образец. Это свойство можно использовать для создания сенсорных систем управления устройством. Кроме того, оно позволит спроектировать медицинские датчики для пациентов с угрозой остановки дыхания. Также образцы на основе углеродных волокон были гибкими и сохраняли функции при изгибе пластины до двух миллиметров.

Полученные результаты позволят разработать многофункциональные устройства для мониторинга состояния людей с заболеваниями органов дыхания, сердца и диабетом. При этом цианобактерии — доступный, безопасный и экологичный материал. Их легко выращивать и поддерживать как в лаборатории, так и в промышленных установках открытого и закрытого типа.

«В этом исследовании мы получили перспективные экспериментальные результаты. В будущем планируем испытать реакцию образцов на подложках из других материалов, например, графена. Также собираемся проверить возможность применения цианобактерий, культивируемых в различных средах. Дальнейшие исследования позволят нам разработать готовый к массовому производству опытный образец для персонализированного мониторинга здоровья как спортсменов, так и людей с различными заболеваниями», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Марина Шавелкина, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории плазмы Объединенного института высоких температур РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Объединенного института высоких температур РАН (Москва), Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва).

Руководитель проекта Ирина Антонова и участник проекта Артем Иванов, сотрудники Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН. Фото предоставлено Мариной Шавелкиной

Участники проекта Марина Шавелкина и сотрудник лаборатории плазмы Виктор Киселев из Объединенного института высоких температур РАН. Фото предоставлено Мариной Шавелкиной

Надежда Чернова и Софья Киселева, участники проекта из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, где культивировались цианобактерии. Фото предоставлено Мариной Шавелкиной