Хімічна структура молекули кортизолу
AbcdKolya / Wikimedia commons
Вчені розробили ношений сенсор, який може швидко і в реальному часі визначати в пробах виділяється поту концентрацію кортизолу - основного гормону стресу людини. Запропонований пристрій складається з полімерної мембрани, що реагує тільки на молекули кортизолу, і електрохімічного транзистора. Такий сенсор закріплюється на шкірі людини і дозволяє проводити безперервний неінвазивний аналіз з точністю, яка не поступається сучасним лабораторним пристроїв, пишуть вчені в Science Advances.
При стресі, травмах і в стані шоку кора надниркових залоз тварин виділяє глюкокортикоїдних гормони, які дозволяють адаптуватися організму до крововтрати і стресового стану. Основний глюкокортикоїдний гормон у людини - кортизол. Збільшення його концентрації в крові підвищує артеріальний тиск, збільшує рівень глюкози в крові, інтенсифікує кровотворні процеси в кістковому мозку і регулює імунні процеси в організмі. Оскільки виділяється кортизол у відповідь на ту чи іншу стресову ситуацію, то вимірювання його рівня часто використовують саме як показник стресу. Однак вимірювання концентрації гормону в лабораторних умовах займає іноді до декількох днів, а точних методів для аналізу динаміки його рівня (який може неодноразово змінюватися протягом доби) зараз немає.
Щоб концентрацію кортизолу можна було відстежувати в реальному часі, група дослідників з США та Франції під керівництвом Альберто Саллео (Alberto Salleo) зі Стенфордського університету запропонувала визначати його рівень не в крові, а в краплях поту. Вчені знайшли спосіб проводити вимірювання не тільки швидко, але і використовуючи при цьому дуже компактний пристрій, який можна закріпити на шкірі і носити протягом дня.
Оскільки молекула кортизолу не заряджена, то для кількісного визначення гормону вчені запропонували використовувати спеціально синтезовану для цієї мети мембрану з порами, повністю відповідними молекулам кортизолу за формою. Зробити таку мембрану вченим вдалося за допомогою методу темплатного полімеризації: речовина спочатку зшивається навколо пробної молекули кортизолу, приймаючи правильну геометрію, після чого ця молекула віддаляється, а в полімері залишається отвір потрібної форми. Під час аналізу молекули гормону вже з крапель поту вбудовується в ці отвори, тим самим обмежуючи транспорт через мембрану заряджених іонів. Тому, якщо приєднати цю мембрану до електрохімічного транзистору, то залежність струму від прикладеної напруги буде в результаті відображати концентрацію гормону.
Таку сенсорну систему з мембрани і мікрометрового електрохімічної комірки на еластомерній підкладці вчені вмонтували в невеликий пластиковий чіп, так щоб мембрана з одного боку з'єднувалася із зовнішнім середовищем набором мікрокапілярів. Потім цей чіп поміщали на поверхню шкіри, і при попаданні на нього крапель поту рідина по капілярах доставлялася до сенсорної частини, що призводило до зміни струму через осередок, яке і відповідало рівня гормону.
Схема носиться сенсорного пристрою для визначення рівня кортизолу в краплях поту
O. Parlak et al./ Science Advances, 2018
Одним з переваг запропонованого підходу вчені називають можливість безперервного неінвазивного аналізу. Саме тому в якості досліджуваної рідини вчені вибрали піт, а не кров. Рівень кортизолу в ньому теж відображає стан організму, але при цьому збирати проби можна з поверхні шкіри без використання шприца. За словами авторів роботи, визначати таким чином концентрацію гормону можна в діапазоні від 1 мікромоля до 5 миллимоль на літр, що відповідає концентраціям кортизолу в аналізованих пробах поту.Працездатність пристрою вчені перевірили спочатку на мікрофлюідних моделі шкіри, а потім і в реальних умовах, закріпивши пробне пристрій на шкірі людини. Точність вимірювань виявилася на рівні сучасних методів лабораторного аналізу. У найближчому майбутньому вчені планують створити прототип пристрою, який вже можна застосовувати і повсякденному житті.
За словами вчених, такий пристрій може використовуватися для ранньої діагностики захворювань, а також для аналізу впливу спортивної активності на стан організму. Також за допомогою цього підходу можна стежити за емоційним станом маленьких дітей, які не можуть самі висловити його словами.
Вимірювання концентрацій кортизолу часто використовують для визначення рівня стресу в рамках наукових досліджень. Наприклад, саме за допомогою такого аналізу вченим вдалося довести користь різних розумових практик, спрямованих на розуміння власних емоцій і прийняття того, що відбувається навколо. А вимір рівня кортизолу у диких лемурів показало зв'язок між високим рівнем стресу і зменшенням їх виживання.
Олександр Дубов
