В Корее представили графеновый биосенсор, позволяющий наблюдать за состоянием хронических ран при диабете в режиме реального времени
- 6 часов назад
- 5 мин. чтения
Корреспондент Гу Бон Хёк
- Преодоление ограничений существующих методов, требующих взятия образцов тканей — ключевой элемент цифрового здравоохранения нового поколения
Исследователи Корейского института исследований мозга, разработавшие графеновый биосенсор (слева направо): Ли Сын Чжун, Ын Чжон Хи, Ли А Хён, Гу Чжа Ук и Чху Нам Сон [Предоставлено Корейским институтом исследований мозга]
22 июня Корейский институт исследований мозга (KBRI) сообщил, что исследовательская группа под руководством докторов Чху Нам Сона и Гу Чжа Ука разработала платформу «умного графенового биосенсора», позволяющую в режиме реального времени наблюдать за сложным процессом заживления ран в живом организме.
Заживление ран — это сложный иммунный процесс, в ходе которого последовательно происходят воспалительная реакция, регенерация тканей и образование рубцов.
В этом процессе «цитокины» — иммуномодулирующие вещества, передающие сигналы между клетками, — являются ключевым показателем, отражающим воспалительное состояние раны и стадию ее заживления. Однако существующие методы анализа требовали непосредственного забора образцов ткани или крови, что наносило дополнительный ущерб области раны, а также не позволяли осуществлять непрерывный мониторинг в режиме реального времени, вследствие чего можно было увидеть только результаты на определенный момент времени.
Исследовательская группа решила эту проблему, оптимизировав технологию получения лазерно-индуцированного графена, чтобы измерить в режиме реального времени изменения уровня воспалительных цитокинов, возникающие в процессе заживления раны. Лазерно-индуцированный графен — это технология, при которой лазерное излучение воздействует на полимерный материал, непосредственно формируя проводящую графеновую структуру, что позволяет быстро изготавливать электроды без сложных технологических процессов.
Исследователи соединили изготовленные электроды с мягкой и биосовместимой подложкой из силиконовой резины (PDMS), обеспечив высокую гибкость, которая позволяет датчику стабильно прилегать даже при повторяющихся движениях биологических тканей и на изгибах поверхности кожи.
Рисунок 1. Гибкая платформа с графеновыми биосенсорами для мониторинга процесса заживления ран в режиме реального времени. Электроды LIG изготовлены методом прямой лазерной карбонизации и перенесены на подложку из PDMS, образовав мягкий и биосовместимый сенсорный интерфейс. Модульное устройство обеспечивает стабильный контакт с тканью и мультиплексную функционализацию антителами для одновременного обнаружения IL-6, CXCL12 и TGF-β1 в процессе заживления ран. Показания биосенсора подвергнуты перекрестной валидации с результатами ELISA и проточной цитометрии, что подтвердило надежность профилирования цитокинов in vivo. Рис. создан с помощью BioRender. Chou, N. (2026). https://BioRender.com/l8yyb4u
Рисунок 2. Морфологическая и химическая характеристика LIG, перенесённого на PDMS. a Схема процесса лазерной карбонизации, приводящего к образованию пористого графена. b Оптические изображения узоров LIG, перенесённых на PDMS, полученных при различных мощностях лазера и скоростях сканирования. c Тепловая карта поверхностного сопротивления перенесённого LIG в зависимости от параметров обработки. d, e Обзорные спектры XPS и элементный состав, демонстрирующие увеличение содержания углерода и снижение содержания кислорода в оптимизированных условиях. f–h Спектры XPS высокого разрешения основных уровней C 1s, N 1s и O 1s, подтверждающие графитизацию и конфигурации связей. i, j Рамановские спектры и количественный анализ (соотношение I_D/I_G, L_a), демонстрирующие улучшенную кристалличность при оптимизированной обработке. k SEM-изображения LIG на PDMS, показывающие пористую морфологию и прочную межфазную интеграцию при виде сверху.
Рисунок 3. Механическая прочность и стабильность межфазного соединения LIG на PDMS. a ΔR/R₀ при многократном изгибе внутрь и наружу с нанесением смазочного покрытия и без него. b Увеличенный вид области, обведенной рамкой на рисунке (a), сравнивающий изгиб внутрь и наружу с нанесением смазки и без него. c Изменение сопротивления в зависимости от угла изгиба с нанесением смазки и без него. d Изменение сопротивления при многократных циклах отрыва ленты, подтверждающее стабильность межфазного соединения.
Рисунок 4. Обнаружение биофункционализированного LIG на молекулярном уровне в физиологических условиях. a. Схема соединения EDC/NHS для иммобилизации антител на пористом LIG. b. I–V-характеристики поверхностей, покрытых BSA, функционализированных антителами и связывающих антитело–антиген (IL-6). c. ΔR/R₀ в зависимости от концентрации IL-6, демонстрирующее безметочное определение с чувствительностью до диапазона пг/мл. d. Схема мультиплексного мониторинга цитокинов с использованием электродов LIG, функционализированных антителами. e–h) FT-IR-анализ, сравнивающий исходный LIG и LIG, связанный с IL-6 (e), с дифференциальными спектрами f–h, выделяющими колебательные сигнатуры «антиген–антитело» (полосы амида I, амида II и C–N/C–O). i. Флуоресцентная микроскопия, подтверждающая связывание IL-6 на поверхности LIG после связывания антигена. j. Изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (SEM), связывания IL-6 на LIG in vivo, демонстрирующие агрегированные иммунокомплексы внутри пористой графеновой сети.
Рисунок 5. Модульная конструкция устройства позволяет интегрировать биосенсоры LIG для применения «ин виво». a Изготовление узоров LIG на подложках из SU-8/PDMS с помощью лазерной обработки и переноса. b Сборка электродов с узорами LIG в модульные корпуса с опциональным проводящим покрытием. c Конструкция корпуса модульного устройства и съемной крышки, с фотографиями вида сверху и снизу. d Схема мультиплексного мониторинга цитокинов, реализуемого за счет функционализации отдельных электродов, позволяющая одновременно детектировать IL-6, CXCL12 и TGF-β1 с помощью настраиваемых геометрий электродов. e Фотографии и схемы конструкции съемного разъема, демонстрирующие вид сверху, процесс отсоединения и вид снизу с контактными площадками. f Демонстрация в vivo готовой системы, прикрепленной к мыши для регистрации данных. g Схема рабочего процесса рециркуляции и повторного использования, подчеркивающая возможность повторного использования устройства для многократных экспериментов и замену деталей одноразового использования.
Рисунок 6. Профилирование динамики цитокинов in vivo во время заживления раны с использованием гибкого биосенсора LIG. a Хронология эксперимента на модели мыши с хронической раной, включающей последовательные повреждения спины и измерения уровня цитокинов в течение 8 дней. b Типичные изображения раны на 1-й, 3-й, 5-й и 8-й дни. c Количественное определение IL-6, CXCL12 и TGF-β1 методом ELISA, демонстрирующее стадие-специфическую экспрессию. d Показания биосенсора LIG в реальном времени (ΔR/R₀), согласующиеся с результатами ELISA и одновременно выявляющие едва заметные временные различия.
Рисунок 7. Количественное определение цитокинов, выделяемых иммунными клетками в поврежденной коже, с помощью проточной цитометрии. а. Стратегия выделения групп клеток для количественного определения внутриклеточных цитокинов. Кожные раны, взятые через 8 дней после травмы, были подвергнуты перевариванию до получения суспензии одиночных клеток, после чего клетки были мечены антителами перед анализом. Первоначальный отбор проводился по одиночным жизнеспособным клеткам, после чего исключались остатки тканей и дублеты. Были отобраны иммунные клетки CD45+, и в пределах этой популяции была количественно оценена внутриклеточная экспрессия цитокинов. b Количественное сравнение уровней цитокинов в разные временные точки, иллюстрирующее относительный вклад каждого цитокина в процессе заживления раны. c–e Типичные графики проточной цитометрии, демонстрирующие экспрессию цитокинов на отдельных этапах заживления раны (IL-6: воспалительная фаза (c), CXCL12: пролиферативная фаза (d), TGF-β1: фаза ремоделирования (e)).
В частности, благодаря связыванию специфических антител с поверхностью датчика удалось выборочно выделить и с высокой точностью обнаружить три вида цитокинов, являющихся ключевыми показателями заживления ран и воспалительной реакции. В результате применения данного датчика на животных моделях хронических ран, таких как диабетические язвы, удалось в режиме реального времени отследить временные изменения уровня иммунных веществ от начальной стадии воспаления до стадии регенерации тканей. Полученные результаты продемонстрировали тенденции, схожие с результатами существующих стандартных методов анализа — иммуноферментного анализа (ELISA) и проточной цитометрии (FACS).
Разработанный «умный» графеновый биосенсор может широко использоваться не только для индивидуализированного лечения хронических ран, но и для диагностики различных заболеваний, основным механизмом которых является воспалительная реакция, а также для отслеживания реакции на лечение. Если будет достигнута ее коммерциализация через последующие исследования в части беспроводной передачи данных и упрощения модулей, он станет ключевой платформой цифрового здравоохранения следующего поколения.
«Разработанный нами датчик представляет собой инновационную технологию, позволяющую непрерывно отслеживать изменения иммунных сигналов в организме во времени без необходимости вскрытия раневой области или взятия образцов ткани» - сказал доктор Чху Нам Сон, добавив: «В соответствии с государственной политикой по развитию передовых биотехнологий и прецизионной медицины мы намерены активизировать последующие исследования, направленные на внедрение системы индивидуализированного лечения хронических заболеваний».
Результаты данного исследования опубликованы в последнем номере международного научного журнала в области нано- и биотехнологий «Journal of Nanobiotechnology».