Флуоресцентный сенсор измерит уровень стресса
Исследователи из Сколтеха разработали прототип флуоресцентного сенсора, который непрерывно следит за концентрацией кортизола в организме. По словам авторов, имплантируемый сенсор на основе этой технологии можно будет использовать в клинической практике. Работа опубликована в журнале Talanta.
При стрессе и травмах кора надпочечников выделяет глюкокортикоидные гормоны, которые помогают организму адаптироваться к неблагоприятному состоянию. Основной гормон стресса человека — кортизол. Поскольку кортизол выделяется в ответ на стрессовую ситуацию, то измерение его уровня используют как показатель стресса. Также изменение количества гормона может быть признаком заболеваний.
До сих пор не существует достаточно точных и надежных методов для непрерывного мониторинга уровня кортизола in vivo. Существующие лабораторные методы, в частности, твердофазный иммуноферментный анализ, надежны, но требуют предварительной подготовки образцов, что не позволяет использовать их в режиме реального времени. К тому же забор крови — процедура, вызывающая стресс как у животных, так и у людей, а в стрессовом состоянии концентрация кортизола повышается, и результат анализа оказывается недостоверным. Поэтому есть важность в разработке имплантируемого сенсора для контроля кортизола непосредственно в кровотоке.
Ученые из Центра Сколтеха по проектированию, производственным технологиям и материалам под руководством Софии Сафарян (Sofia M.Safarian) в сотрудничестве с биологами Сколтеха под началом Юрия Котелевцева (Yuri V.Kotelevtsev) разработали прототип иммуносенсора с использованием золотых наночастиц для количественного контроля кортизола. В основе работы сенсора лежит иммунная реакция антигена с антителом.
Антитела вырабатываются в организме в ответ на проникновение чужеродного вещества — антигена. Однако вещества с небольшой молекулярной массой не беспокоят иммунитет. Но иммунный ответ наступает, если их утяжелить, присоединив к более крупным молекулам, например, белкам. Поэтому для получения антител к кортизолу, мышам вводили их комплексы с белками, затем выработанные антитела выделяли из крови животных.
Чтобы изготовить сенсор, электронно-лучевым испарителем на стеклянную подложку осадили золотые частицы, которые образовали на ней наноостровки из золота. Затем на золотой слой нанесли вещество, к которому при помощи химической реакции присоединили антитела. После этого на антитела посадили молекулы кортизола в комплексе с белком и флуоресцентной меткой.
Работу сенсора ученые опробовали на солевых растворах с различной концентрацией кортизола. Содержащийся в образце свободный кортизол вытеснял молекулы кортизола в комплексе с белком и флуоресцентной меткой и сам связывался с антителами. Когда все антитела были заняты кортизольным комплексом с меткой, интенсивность излучения флуоресцентных молекул была высокой за счет близости к золотым наночастицам. А при замещении на свободный кортизол флуоресценция уменьшалась, так как метка оказывалась далеко от наночастиц, усиливающих сигнал. Количество гормона стресса в образцах измеряли по интенсивности флуоресценции с помощью прибора спектрофотометра.
Тесты показали, что сенсор может регистрировать кортизол даже в очень маленьком количестве — 0,02 микрограмма на миллилитр, что соответствует нормальному уровню гормона в плазме крови человека. Для непрерывной работы сенсора важна обратимость связывания кортизола с антителами без ошибки в измерениях, что также было продемонстрировано в работе.
В перспективе ученые хотят создать имплантируемый сенсор в виде оптического волокна, на конце которого находится капиллярная ячейка с полупроницаемой мембраной, помещенной в тонкую иглу, подключаемую к портативному спектрометру по оптоволокну.
«Нам необходимо разработать имплантируемый сенсор с полупроницаемой мембраной, отделяющей небольшие молекулы типа кортизола от белков и других составляющих биологической жидкости: крови, слюны, внутритканевой жидкости. Подобные устройства для измерения глюкозы уже существуют. Для создания имплантируемого сенсора предстоит решить ряд сложных задач», — расскал один из авторов статьи, профессор Сколтеха и Университета Северного Техаса Владимир Драчев.
Контроль кортизола уже давно интересует ученых и медиков. Несколько лет назад был создан сенсор, похожий на пластырь, который измеряет уровень гормона стресса в каплях пота.
Виктория Барановская
Размер бутылки повлиял на способность напитка оставаться игристым
Химики из Франции выяснили, что большие бутылки шампанского дольше сохраняют в себе достаточное количество углекислого газа, нужного для образования пузырьков. Ученые вывели теоретическую зависимость количества растворенного в вине углекислого газа от времени хранения и размера бутылки. А также смогли рассчитать время, за которое игристое вино в бутылках разного размера полностью выдохнется. Исследование опубликовано в журнале ACS Omega. Для производства игристых вин в уже приготовленное заранее из виноградного сока «тихое» вино добавляют дрожжи и сахар — в результате начинается брожение с образованием этанола и углекислого газа (в виноделии эта стадия подготовки вина называется prise de mousse). Обычно за два месяца процесс брожения заканчивается, и вино насыщается углекислым газом, а давление CO2 в бутылке вырастает до значений в шесть бар. После того, как вино получило свою долю углекислого газа, его обычно оставляют еще на несколько месяцев или лет. За это время оно приобретает новые оттенки вкуса и аромата за счет постепенного аутолиза клеток дрожжей и выделения разных веществ из их цитоплазмы в вино. Но одновременно с этим углекислый газ постепенно диффундирует через пробку, и давление газа в бутылке падает. Чтобы определить, насколько быстро этот процесс происходит и как его можно замедлить, химики из Реймсского университета под руководством Жерара Лиже-Белэра (Gérard Liger-Belair) решили построить теоретическую модель для предсказания скорости диффузии углекислого газа через пробки бутылок с вином. Для этого они выбрали по 13 больших (1,5 литра) и маленьких (0,75 литра) бутылок с шампанским возраста от 25 до 47 лет с одинаковыми пробками и формой горлышка. Затем они измерили давление углекислого газа в закрытых бутылках с помощью афрометра и его концентрацию в вине сразу после откупоривания пробки с помощью титрования. На основе полученных данных ученые рассчитали константу Генри для углекислого газа, растворенного в шампанском. Она связывает давление углекислого газа в бутылке и его концентрацию в жидкой фазе при равновесном состоянии системы. Константа оказалась равной 1,6 грамма на литр на бар. На основе полученных данных и считая углекислый газ в бутылке идеальным газом, химики вывели зависимость концентрации и давления углекислого газа в бутылке после процесса брожения от температуры, количества образовавшегося при брожении углекислого газа и соотношения объемов газообразной и жидкой фаз в бутылке. Затем ученые построили зависимость концентрации углекислого газа в бутылках вина от времени их старения и обнаружили, что несмотря на то что исходная концентрация CO2 после завершения брожения в разных бутылках по расчету должна быть практически одинаковой, скорость падения концентрации при старении сильно отличается для бутылок разного размера. То есть, шампанское в больших бутылках выдыхается значительно медленнее, чем в маленьких. Полученные зависимости химикам удалось описать с помощью первого закона Фика, связывающего градиент концентрации диффундирующего вещества с его диффузионным потоком. Построенная теоретическая модель предсказывала, что вино в больших бутылках теряет углекислый газ примерно в два раза быстрее, чем вино в маленьких бутылках — и это предположение подтвердилось измеренными ранее концентрациями. Далее на основе построенной модели химики оценили время, за которое вино в бутылках разного размера полностью выдохнется. Для бутылок объемом в 0,75 литра примерное время составило 40 лет, для полуторалитровых бутылок — 80 лет, а для двухлитровых — 130. Таким образом, химики выяснили, как зависит игристость вина от времени его старения и размеров бутылки, а также предсказали время жизни шампанского, разлитого по бутылкам разного размера. Ранее мы рассказывали о том, как пузырьки газа влияют на аромат и вкус шампанского.