Полностью биоразлагаемый датчик позволил непрерывно отслеживать уровень лактата в глубоких тканях

Исследователи разработали полностью биоразлагаемый электрохимический датчик, способный непрерывно контролировать уровень лактата в глубоких тканях организма. В экспериментах на животных устройство работало более 10 дней и позволяло выявлять ранние признаки нарушений обмена веществ при тяжелых состояниях, включая сепсис, ишемию и эпилепсию. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Почему это важно

Сепсис ежегодно поражает миллионы людей во всем мире. Не менее опасны состояния, связанные с ишемией — нарушением кровоснабжения тканей, когда каждая минута может иметь решающее значение.

Одним из важных показателей таких нарушений является лактат. Его концентрация повышается, когда клетки начинают испытывать дефицит кислорода или нарушается работа митохондрий — клеточных структур, отвечающих за выработку энергии. Повышение уровня лактата помогает врачам оценить тяжесть состояния пациента и эффективность лечения.

Сегодня для определения лактата обычно используют периодический забор крови. Однако такой подход не позволяет увидеть быстрые изменения, происходящие непосредственно в отдельных органах.

Как устроен новый датчик

Исследователи создали полностью биоразлагаемое устройство из материалов, которые постепенно растворяются в организме после завершения работы и не требуют хирургического удаления.

Основу датчика составляет гибкий гидрогелевый материал, который надежно прикрепляется к влажной поверхности тканей и сохраняет эластичность. Для усиления прочности и долговечности конструкции использовали хитозан и генипин.

Измерение уровня лактата происходит с помощью специального ферментного слоя, содержащего лактатдегидрогеназу и никотинамидадениндинуклеотид. Эти вещества обеспечивают избирательное распознавание молекул лактата и преобразуют их присутствие в электрический сигнал.

Полученные данные передавались на внешний беспроводной модуль с поддержкой Bluetooth. При этом сам имплантируемый датчик полностью состоял из биоразлагаемых материалов, а электронный блок находился вне организма.

Высокая точность и устойчивость

Испытания показали, что устройство надежно работает во влажной биологической среде и сохраняет чувствительность даже после значительных механических нагрузок.

Датчик определял концентрацию лактата в диапазоне до 30 миллимолей на литр с минимальным порогом обнаружения 0,1 миллимоля на литр. При этом на результаты практически не влияли глюкоза, мочевина, мочевая кислота и аскорбиновая кислота.

После 300 циклов сгибания и 10 000 циклов вибрации характеристики устройства практически не изменились. В лабораторных условиях оно сохраняло более 90% первоначальной чувствительности спустя девять дней, а в организме животных продолжало работать свыше десяти суток.

Раннее выявление опасных изменений

Во время моделирования системной гипоксии у кроликов датчик быстро фиксировал рост концентрации лактата вокруг сердца по мере снижения поступления кислорода. В этот же период частота сердечных сокращений и насыщение крови кислородом практически не менялись.

Аналогичные результаты были получены при моделировании ишемии головного мозга, сердца и скелетных мышц. В ряде случаев концентрация лактата значительно увеличивалась еще до появления выраженных изменений традиционных физиологических показателей.

При моделировании эпилептических приступов уровень лактата в спинномозговой жидкости заметно возрастал примерно через шесть секунд после появления выраженной патологической электрической активности мозга.

Особенно интересные результаты были получены при септическом шоке. Повышение уровня лактата вокруг сердца происходило быстрее и было более выраженным, чем в крови, подкожной клетчатке или мышцах. Более того, увеличение концентрации лактата более чем на 25% происходило раньше существенного снижения среднего артериального давления.

Когда исследователи начинали инфузионную терапию именно в этот момент, им удавалось поддерживать более стабильное кровообращение и предотвратить развитие выраженного септического шока в течение периода наблюдения.

Что происходило после завершения работы датчика

Эксперименты показали, что гидрогелевая основа полностью рассасывалась примерно за 16 недель, а металлические элементы постепенно растворялись в течение 32 недель.

Исследование тканей не выявило выраженного воспаления. Анализы крови практически не отличались от контрольной группы, а накопления молибдена во внутренних органах обнаружено не было.

Ограничения исследования

Несмотря на многообещающие результаты, технология пока проверена только на животных. Кроме того, часть экспериментов проводилась на небольшом количестве животных, поэтому полученные данные требуют подтверждения в более крупных исследованиях.

Авторы также отмечают, что со временем чувствительность датчика постепенно снижалась примерно на 30%, вероятно, из-за естественного разрушения ферментного слоя. Это означает, что при длительном использовании в будущем может потребоваться периодическая калибровка устройства.

Вывод

Разработанный биоразлагаемый датчик способен непрерывно контролировать уровень лактата в глубоких тканях более десяти дней без необходимости последующего хирургического удаления. В экспериментах устройство позволяло обнаруживать нарушения обмена веществ при гипоксии, ишемии, эпилепсии и септическом шоке раньше или чувствительнее, чем некоторые традиционные методы мониторинга.

Хотя технология выглядит перспективной для интенсивной терапии, до ее применения в клинической практике необходимо провести исследования с участием людей, чтобы подтвердить безопасность, точность и клиническую эффективность.

Литература

Hu C., Liang R., Li P., Ma Y., Xie Y., Liu S., Wang L., Peng M., Shen B., Ren X., Wang Z., Wu L., Li S., Mi Z., Peng X., Wang S., Dong Y., Jia Z., Xu W., et al. Bioresorbable electrochemical sensors for continuous deep-tissue lactate monitoring in critical care. Nature Communications. 2026;17(1):7366. DOI: 10.1038/s41467-026-74248-w.