Организм постоянно контролирует этот узкий диапазон pH и быстро восстанавливает идеальные значения pH в случае каких-либо отклонений. Это связано с тем, что многие белки перестают функционировать должным образом, если жидкости в организме становятся даже немного более кислыми.
Эти белки становятся нестабильными и изменяют свою структуру или взаимодействие с другими белками, в результате чего нарушаются все метаболические пути.
Люди с диабетом 1 типа особенно подвержены риску повышенного уровня кислоты. Их тела не производят инсулин, гормон, регулирующий уровень сахара в крови, поэтому их клетки не могут поглощать глюкозу из крови и вынуждены использовать другой источник энергии: запасы жира.
При этом печень производит бета-гидроксибутират, кислоту, которая снабжает мышцы и мозг энергией через кровоток. Однако, если организм продолжает использовать запасы жира для получения энергии, это производит столько кислоты, что значение pH крови резко падает, в то время как молекулы сахара циркулируют в крови неиспользованными. Если нехватку инсулина не заметить или вовремя не лечить, люди с диабетом 1 типа могут умереть от кетоацидоза — метаболического шока, вызванного избытком бета-гидроксибутирата.
Датчик измеряет кислотность
Команда биоинженеров из Департамента биосистем, науки и инженерии (D-BSSE) ETH Zurich в Базеле разработала новое имплантируемое молекулярное устройство, состоящее из двух модулей: датчика, который постоянно измеряет pH крови, и механизма обратной связи генов, который производит необходимое количество инсулина. Они сконструировали оба модуля из биологических компонентов, таких как различные гены и белки, и включили их в культивируемые почечные клетки.
Затем исследователи встроили миллионы этих индивидуализированных клеток в капсулы, которые можно использовать в качестве имплантатов в организме.
Сердцем имплантируемого молекулярного устройства является датчик pH, который точно измеряет кислотность крови и чутко реагирует на незначительные отклонения от идеального значения pH.
Если значение pH падает ниже 7.35 датчик передает сигнал для запуска выработки инсулина. Такое низкое значение pH характерно для диабета 1 типа: хотя pH крови также падает из-за злоупотребления алкоголем или физических упражнений из-за чрезмерного окисления мышц, он не опускается ниже 7.35 год.
Гормон инсулин гарантирует, что нормальные клетки в организме снова поглощают глюкозу и переключаются с жира на сахар в качестве источника энергии для обмена веществ, и в результате значение pH снова повышается. Как только pH крови возвращается к идеальному диапазону, датчик выключается, и перепрограммированные клетки перестают вырабатывать инсулин.
Уровень инсулина вернулся к норме
Исследователи уже протестировали свое изобретение на мышах с диабетом 1 типа и связанным с ним ацидозом.
Результаты выглядят многообещающими: мыши с имплантированными капсулами вырабатывали количество инсулина, соответствующее их индивидуальным измерениям кислоты. Уровень гормонов в крови был сопоставим с уровнем у здоровых мышей, у которых уровень инсулина регулировался естественным путем. Имплант также компенсировал большие отклонения уровня сахара в крови.
«На основе этого прототипа можно представить приложения для людей, но они еще не разработаны», — говорит Мартин Фуссенеггер. «Сначала мы хотели создать прототип, чтобы увидеть, можно ли использовать молекулярные протезы для такой тонкой настройки метаболических процессов», — говорит он.
Однако подготовка такого продукта для рынка выходит за рамки кадровых и финансовых ресурсов его института, говорит Фуссенеггер, и, следовательно, должна осуществляться в сотрудничестве с промышленным партнером.
Большой опыт работы с нарушениями обмена веществ
Исследователи из группы Фуссенеггера уже несколько раз попадали в заголовки газет с аналогичными синтетическими сетями.
Например, они разработали имплант с генами, которые можно активировать синим светом, тем самым производя GLP-1, который регулирует выработку инсулина. Они также создали сеть, которая устраняет метаболический синдром — процесс, запущенный авторизованным лекарством от кровяного давления. Все эти сети реагируют на сигнал и производят гормонально активное вещество. Однако особенность нового механизма обратной связи заключается в том, что тело само производит сигнал, который затем обнаруживается датчиком, который запускает точно настроенную терапевтическую реакцию.
Над данным проектом работали три группы из D-BSSE. Группа Фуссенеггера разработала генетическую сеть; Профессор биосистемной инженерии Андреас Хирлеманн и его команда протестировали датчик кислотности с помощью микрофлюидных платформ; и Йорг Стеллинг, профессор вычислительной системной биологии, смоделировали его, чтобы оценить динамику производства инсулина.