Лента TH Статьи о науке и технике


Электрохимическая поджелудочная железа

∴ 236

Когда Пантелис Георгиу и его коллеги — биомедицинские инженеры из Имперского колледжа в Лондоне (Великобритания) решили разработать «умный» инсулиновый насос для больных сахарным диабетом, они начали с причины заболевания.

«Мы спросили себя: как сделать так, чтобы поджелудочная железа продолжала контролировать уровень глюкозы в крови?» — вспоминает г-н Георгиу.

Ответ известен довольно хорошо. Этот орган опирается прежде всего на две популяции клеток: бета-клетки, вырабатывающие инсулин в том случае, если уровень глюкозы в крови высок, и альфа-клетки, которые освобождают гормон глюкагон при низком уровне глюкозы.

«Мы смоделировали их в виде микрочипа», — говорит учёный. Прибор имитирует уникальные электрические характеристики альфа- и бета-клеток. Подобный биомиметический подход в корне противоречит доминирующему сегодня методу — доставке одного только инсулина с помощью относительно простой системы.

В небольшом клиническом испытании, которое стартует в начале нового года, примут участие десять пациентов.

У людей с сахарным диабетом первого типа иммунная система атакует и убивает инсулин-секретирующие бета-клетки, что приводит к увеличению в крови глюкозы. Со временем глюкагон-выделяющие альфа-клетки тоже отказываются работать. Таким образом, у больных время от времени резко снижается содержание сахара в крови, что должны были предотвращать альфа-клетки. Этот момент серьёзно влияет на качество жизни пациентов и в долгосрочной перспективе приводит к повреждению сердца, почек и глаз. Для минимизации подобных осложнений устройство Имперского колледжа моделирует электрофизиологию обоих типов клеток.

Пожалуй, это первая попытка с большой точностью сымитировать работу поджелудочной железы.

Устройство состоит из электрохимического подкожного датчика глюкозы, микрочипа и двух насосов, по одному на каждый гормон. Каждые пять минут датчик определяет уровень глюкозы. Если он высок, кремниевые бета-клетки генерируют сигнал, который приводит в действие двигатель, толкающий шприц с инсулином до тех пор, пока датчик не будет удовлетворён, и бета-клетки не умолкнут. Точно так же происходит инъекция глюкагона.

Надо было учесть, что две клеточные популяции ведут себя совершенно по-разному. Альфа-клетка реагирует на резкие перепады напряжения. Когда концентрация глюкозы падает ниже определенного порога, электрический потенциал на мембране клетки быстро поднимается и падает, выпуская дискретное количество глюкагона. Печень обнаруживает глюкагон и в ответ отпирает свой склад глюкозы. Чем сильнее падает уровень глюкозы, тем быстрее перепады и тем больше выделяется глюкагона.

Бета-клетки, напротив, стремятся реагировать на всплески напряжения, перемежающиеся периодами низковольтного «молчания».

Подобная двойная конструкция в апреле была представлена исследователями из Бостонского университета, Массачусетской клинической больницы и Гарвардской медицинской школы (США). Однако это устройство основано на упреждающем контроле, а не копирует поведение реальных клеток.