Шведы вырастили органические электроды в головном мозге данио-рерио
Биополимеры не повреждали нервные клетки и становились электропроводными внутри организма
Шведские нейробиологи создали гель на основе органического вещества — тиофена, который превращался в биоэлектроды прямо в нервной системе рыбок данио-рерио и пиявок. За счет жидкой консистенции вещество можно было легко ввести в глубокие слои тканей, где активировался каскад реакций для полимеризации геля. В результате биополимер плотно оплетал мембраны клеток, не повреждал их и не отторгался организмом. Статья опубликована в журнале Science.
Запись электрической активности мозга — важный раздел нейробиологии. Но для получения точных данных недостаточно размещать датчики на коже головы, — лучшие результаты получаются, когда электроды касаются самих нервных клеток. В этом случае перед учеными встает проблема — обычные электроды сделаны из твердых материалов, они могут легко повредить нежную нервную ткань. Кроме того, большинство искусственных материалов отвергаются организмом, — вокруг электродов быстро формируется рубцовая ткань и передача сигналов прекращается.
Привычные электроды потенциально можно заменить мягкими полимерами — в 2000 году Алан Хигер, Алан Мак-Диармид и Хидеки Сиракава получили нобелевскую премию за открытие электропроводных свойств полимеров (иногда она даже достигает электропроводности металлов). Электропроводность биополимеров, а также их плотность и другие качества, обратимо меняются во время реакций окисления и восстановления.
Магнус Берггрен (Magnus Berggren) и его коллеги из Университета Линчепинга разработали биоэлектроды на основе мономеров тиофена (ETE). В неактивном состоянии это жидкий гель, который легко проникает даже в глубокие слои ткани и может добраться до нейронов, которые раньше были вне зоны доступа.
Чтобы стать электродом, гель должен был пройти полимеризацию. Для этого ученые решили использовать химическую энергию — локальные реакции окисления. Для этого они добавили в состав геля ферменты-оксидазы, которые продуцируют перекись, и ферменты-пероксидазы, которые соединяют мономеры ETE в электропроводный полимер. Перекись служила акцептором электронов, а собственные глюкоза и лактат организма — катализаторами реакции. В результате полимеризации жидкий гель превращался в сеть вокруг клеток, плотно оплетал клеточную мембрану и проводил электрические сигналы.
Чтобы пронаблюдать за тем, как ETE полимеризуется в живом организме, нейробиологи ввели в плавники альбиносов данио-рерио жидкий гель. В течение нескольких минут можно было наблюдать полимеризацию — появление синих полос в прозрачных плавниках рыбок.
Затем исследователи ввели гель в головной мозг девяти данио-рерио. После инъекции их на трое суток отпустили в аквариум. Все 72 часа наблюдений рыбки чувствовали себя отлично, а значит, гель не был токсичен для мозга и может быть использован для продолжительных измерений. Кроме того, оказалось, что ETE хорошо полимеризуется не только в нервной ткани рыб, но и в мышцах животных — коров, свиней и куриц.
В эксперименте ex vivo электропроводность полимеризованного ETE была 0,25 сименс на сантиметр — что примерно соответствует электропроводности соленой воды. Чтобы оценить работу биоэлектрода in vivo, ETE испытали на пиявках. Гель плотно обволакивал нервное волокно, а при подаче тока 100–300 миллиампер, длительностью в одну миллисекунду и частотой 30 герц в 50-60 процентах случаев происходили четкие движения мышц — что было эквивалентно стандартным электродам из золота.
Таким образом, гель на основе мономеров ETE мог проникать в глубокие слои тканей и создавать плотный контакт с клетками, не повреждая их. Собственные вещества организма запускали каскад реакций, — гель приобретал стабильную форму и становился электропроводным. Биологическая совместимость с тканями и отсутствие токсичности создают высокий потенциал для биоэлектродов в качестве технологии будущего для изучения нейробиологии и лечения нервных болезней.
Биотехнологии с каждым днем расширяют возможности медицины. Немецкие инженеры разработали биоразлагаемые электроды для того, чтобы сделать операции на сердце безопаснее. А в Голландии создали покрытый биполимерами сенсор для измерения уровня глюкозы в слезах.
Некоторые из них вызвали некроз тканей и перфорацию стенок органов
Американские врачи обнаружили в желудочно-кишечном тракте мальчика-подростка, который обратился к ним с болями в животе, 21 магнит. Шесть из них удалось извлечь с помощью гастроскопии и колоноскопии, однако для удаления еще пятнадцати потребовалось хирургическое вмешательство. Некоторые магниты врезались в стенки желудка и кишечника и вызвали некроз и гниение тканей, а другие склеились между собой, зажав стенки кишечника, из-за чего в тех начали появляться отверстия. При этом подросток не смог ответить, как магниты попали в его пищеварительный тракт. Описание необычного случая опубликовано в статье для журнала BMJ Case Reports. Дети часто проглатывают инородные объекты, например, монеты или детали игрушек. Такие случаи могут привести к серьезным проблемам со здоровьем. Особенную опасность представляют проглоченные магниты. Дело в том, что несколько магнитов способны слипнуться в желудочно-кишечном тракте, зажав между собой его стенки. В результате возникнет непроходимость, перфорация желудка или кишечника и некроз тканей. Порой проглоченные магниты становятся причиной летального исхода. Команда врачей под руководством Мишель Бернштейн (Michelle Bernshteyn) из больницы Гатри в Сэйре, штат Пенсильвания, описала случай, наглядно демонстрирующий тяжелые последствия, к которым может привести проглатывание большого количества магнитов. В их клинику из другого медицинского учреждения перевели мальчика-подростка, обратившегося в отделение неотложной помощи с жалобами на болезненные спазмы в животе. Рентгеновские снимки и компьютерная томография показали, что причиной недомогания стали несколько металлических инородных тел в пищеварительном тракте. Пациент не смог ответить, что это за предметы. Как они попали в его желудок и кишечник, он тоже, по его утверждению, не помнил. Бернштейн и ее коллеги осмотрели желудок подростка с помощью эндоскопа и выяснили, что инородное тело, застрявшее в его стенке, представляет собой стопку из трех мощных неодимовых магнитов в форме диска, диаметр каждого из которых составлял около восьми миллиметров. Они находились в желудке достаточно долго, чтобы привести к изъязвлению его стенки. Однако медики смогли сравнительно легко удалить магниты с помощью гастроскопии, воспользовавшись хирургическими щипцами и специальным сачком. В течение двух следующих дней врачи нашли дополнительные магниты в кишечнике юного пациента. Три из них врезались в стенки восходящей ободочной кишки, вызвав некроз и гниение тканей. Их удалось извлечь с помощью колоноскопии. Однако для удаления еще пятнадцати магнитов в задней части подвздошной кишки и районе илеоцекального клапана потребовалось хирургическое вмешательство. Некоторые магниты склеились между собой, пережав стенки кишечника, в результате чего в тех начали образовываться отверстия. Бернштейн и ее коллеги удалили все магниты из пищеварительного тракта подростка и назначили ему курс антибиотиков. По словам врачей, пациент вовремя обратился к врачам, так что магниты не успели проделать в стенках его органов сквозные отверстия значительного диаметра, через которые содержимое желудка или кишечника вылилось бы в полость тела. В противном случае итогом был бы потенциально смертельный бактериальный перитонит. Спустя шесть дней после операции пациент чувствовал себя намного лучше: он ел и пил как обычно, а боль в животе стала слабее. Однако так и осталось неясным, как юноша проглотил магниты. По мнению самого подростка и членов его семьи, это произошло во время приступа сомнамбулизма. Ранее мы рассказывали о том, как французские врачи обнаружили на компьютерной томограмме у 54-летней женщины необычный вид диафрагмальной грыжи: участок поперечной ободочной кишки оказался в перикардиальной полости. Вероятно, миграция органа произошла из-за лечебной процедуры — дренирования перикарда — потребовавшейся для лечения констриктивного перикардита 15 лет назад.
