В США разработали имплант против ожирения. Будущее уже наступило: импланты, которые перевернут наши представления о медицине
3 года назад 1274 techcult.ru medpulse.ru hightech.fm popmech.ru regnum.ru Александр Мартыненко, Чернявская Дарья, Анастасия Никифорова, Василий Макаров, Василий Жуков, Александр Агеев0
Команда инженеров под руководством Сунь Иль Парка из Техасского университета A&M сконструировала имплант в помощь тем, кто хочет похудеть не прибегая к радикальным методам. За основу взят хорошо известный метод блокировки блуждающего нерва в области желудка, при помощи которого мозг получает сигнал насыщения. Воздействуя на этот нерв, можно заставить организм поверить, что голод утолен, даже если в желудок попало совсем небольшое количество пищи.
Прежде, при проведении такой операции стимулятор сытости устанавливали хирургическим путем напротив нерва, где он работал на постоянное основе, используя встроенный либо подключенный проводным способом источник питания. В новинке же используется спиральный приемник радиосигналов и трансформатор, который преобразует их в энергию для светодиодов. Они крошечные, с минимальным энергопотреблением, однако их света хватает, чтобы эффективно воздействовать на нерв.
Такой имплант не только меньше аналогов (около 1 см в диаметре), но также имеет гибкий режим работы. Фактически, он функционирует подчиняясь радиосигналу извне, поэтому пользователь может сам решать, когда включать устройство, чтобы съесть меньше, если того требуют обстоятельства. Либо активатор можно вручить лечащему врачу или дежурному медику в санатории, чтобы контролировать, как питаются пациенты, которым рекомендовано похудеть.
Будущее уже наступило: импланты, которые перевернут наши представления о медицине
Развитие технологий не стоит на месте, и уже сегодня учёными разрабатываются высокоточные медицинские приборы, которые помогут круглосуточно отслеживать состояние здоровья пациента и лечить легко и безболезненно. Многие медицинские новинки — миниатюрные импланты, способные поддержать организм изнутри.
Лечащие микрочипы
Технический прогресс дошёл до того, что сегодня возможно создание совсем крохотного чипа, который имплантируется в тело человека посредством иглы. Такие устройства — большое подспорье для контроля за состоянием организма. Например, в США уже разработан чип, способный контролировать уровень сахара в крови. В компании Stimwave Technologies готовятся выпускать для массового использования крохотный нейростимулятор с микрочипом (столь малый, что вводится в тело иглой), который поможет снять боль в спине и ногах, воздействуя на определённые зоны мозга. А фирма Boston Scientific работает над чипом, имплантируемым в мозг, который поможет лечить тремор. Этот имплант может работать без подзарядки до четверти века. В данный момент учёные разных стран работают и над имплантами, способными работать с повреждёнными областями мозга и возвращать пациентам память.
Чудо-таблетки
Помимо чипов, чьё применение возможно чуть ли не везде, популярной областью исследований являются устройства размером с таблетку. Человек проглатывает его, а микропроцессор в "таблетке" считывает информацию об организме и может передавать её врачу и даже на смартфон пациента.
Бионический глаз
В Австралии создали прототип бионического глаза для людей, потерявших зрение из-за пигментного ретинита (неизлечимое заболевание). Новинка напоминает видеокамеру с объективом на специальных очках. Картинку с объектива имплант передаёт по зрительному нерву в мозг человека, возвращая зрение. Проводятся также эксперименты с электродами, вживлёнными в мозг, чтобы хотя бы частично вернуть способность видеть полностью ослепшим пациентам.
Высокотехнологичная контрацепция
В Массачусетском технологическом университете работают над специальным контрацептивом для женщин, который имплантируется в тело. Имплант выделяет внутри тела небольшое количество контрацептивного гормона, но при желании этот процесс можно контролировать и отключить, когда женщина решит завести ребёнка. Устройство сможет без перерывов работать до 16 лет.
Умные татуировки
Специалисты из университета Иллинойса создали сеть невероятно тонких компьютерных волокон (тоньше человеческого волоса), имплантируемых под кожу. Эти волокна смогут с поверхности кожи контролировать процессы, происходящие в теле, измерять количество полезных веществ в крови, замерять сахар и кислород. Пациенты с хроническими заболеваниями (например, с анемией, диабетом) сразу будут в курсе, когда нужно принять лекарство, спортсмены смогут вовремя предотвращать обезвоживание и следить за тонусом мышц.
Роботы в крови
Ещё одна чудо-новинка — микрочип, который может спокойно перемещаться в кровеносных сосудах пациента и при помощи длинных нитей ДНК поглощать злокачественные клетки рака. Внешне работа чипа похожа на плавание в океане медузы. При желании поглощённые клетки можно извлечь из чипа, чтобы провести диагностику. Имплант поможет как в диагностике рака, так и в лечении. Главная задача учёных сейчас — успешное тестирование устройства на людях.
Новые биосенсоры и имплантаты будут работать от энергии человека
Носимые и имплантируемые устройства в настоящее время используются для множества функций, включая отслеживание и мониторинг состояния здоровья. Однако для подачи энергии обычно требуются громоздкие батареи и простои из-за перезарядки. Международная группа ученых предполагает, что достижения в области материалов и электронного дизайна могут быть способны преобразовывать биомеханическую энергию в электрическую, открывая путь для устройств, которые можно носить и имплантировать, но которым не нужна подзарядка. Результаты исследования публикует журнал Biosensors and Bioelectronics.
Ларри Ченг, профессор факультета технических наук и механики Пенсильванского университета объясняет, что его команда стремилась создать устройства, которые могут собирать энергию, и разработать датчики, которые могут работать автономно. Своеобразный комбайн для сбора энергии может подавать энергию для питания других устройств, в то время как датчики с автономным питанием могут обеспечивать собственную энергию для работы в качестве автономных устройств.
Такие датчики могут привести к более точному здравоохранению и возможностям удаленного мониторинга здоровья.
Международная группа исследователей во главе с инженерами Пенсильванского университета изучает возможность разработки растягиваемых биосенсоров с автономным питанием, которые в один прекрасный день могут привести к созданию носимых устройств, не нуждающихся в подзарядке, или даже датчиков, которые питаются от самого процесса, который они создали. контролировать. Предоставлено: Penn State.
Исследователи заявили, что растяжимые пьезоэлектрические материалы — твердые вещества, способные накапливать электрические заряды — имеют решающее значение для развития таких приборов. Поскольку человеческие ткани мягкие и постоянно меняют форму, материалы должны иметь возможность изгибаться и растягиваться.
По мнению исследователей, биосенсоры могут быть не просто перенесены на поверхность кожи, но однажды могут быть имплантированы в тело. По словам Ченга, успехи в дизайне и разработке материалов за последнее десятилетие помогли исследователям разработать пьезоэлектрические материалы, которые достаточно гибкие и прочные, чтобы выдерживать воздействие окружающей среды внутри тела, но при этом настолько чувствительны и эффективны, что могут захватывать и преобразовывать такие быстрые движения, такие как сердцебиение и дыхание.
Ученые создали "щипцы", способные извлечь нить ДНК из живой клетки
Британские физики создали новую версию "притягивающего луча", позволяющую извлекать произвольные компоненты клетки и даже нити ДНК, не разрушая ее оболочек и не убивая ее при этом. Их выводы были представлены в журнале Nature Nanotechnology, передает РИА Новости.
"Используя наши щипцы, мы можем извлечь из клетки минимальное число молекул, нужных для наших экспериментов, не повреждая при этом все остальные ее компоненты. Мы показали, что мы можем захватывать самые разные вещи, начиная с митохондрий и заканчивая ядерной ДНК", — рассказывает Джошуа Эдель (Joshua Edel) из Имперского колледжа Лондона (Великобритания).
Световые щипцы, или оптические пинцеты, представляют собой особые инструменты, способные манипулировать микроскопическими кусочками материи, в том числе живыми клетками, при помощи частиц света. Как правило, главную роль в таких приборах играют микролазерные излучатели, испускающие особые, "закрученные" импульсы света.
Первые подобные устройства, за создание которых была присуждена недавняя Нобелевская премия по физике, обладали массой ограничений. Они не могли работать в "грязной" среде, где в луч лазера попадали "ненужные" частицы, и могли манипулировать ими лишь на небольшом расстоянии.
Это, как отмечает Эдель, не позволяло использовать их для манипуляций отдельными наночастицами или молекулами внутри живых клеток. Подобным образом ученые могли бы напрямую вмешиваться в их жизнь или извлекать какие-то сложные их компоненты, аналоги которых нельзя напрямую создать в пробирке из "неживых" атомных цепочек.
Британские ученые реализовали эту мечту многих биологов-экспериментаторов, научившись захватывать интересующие их клеточные органеллы или молекулы не при помощи вспышек света, а сверхмощных электрических полей.
Они вырабатываются парой очень тонких и почти невидимых электродов из углеродных нанотрубок, вставленных в полый стержень пипетки или "иглы" для клеточных инъекций. Если ее ввести в клетку и пропустить через нее переменный ток, то ближайшие к ней молекулы белков, генетического кода или митохондрии "притянутся" к этой игле и прилипнут к ней.
Сила этих полей настолько высока, что подобная игла может притягивать даже очень короткие нити ДНК и РНК, содержащие в себе всего 200-300 "букв"-нуклеотидов. Данное свойство, как отмечают ученые, позволяет игле проникать внутрь оболочки клетки, не повреждая ее.
Подобный прибор, как отмечает Эдель, позволит не только изымать определенные компоненты из клеток и изучать их роль в развитии болезней, но и напрямую манипулировать их жизнедеятельностью, "вставляя" в них новые нити РНК и прочих сигнальных молекул.
Работу этого "притягивающего луча" физики проверили на культурах раковых клеток человека, выделив из них ДНК и часть митохондрий. Как показали эти опыты, подобные "операции" не привели к мгновенной гибели клетки и разрушению органелл, что позволяет надеяться на скорое проникновение подобной технологии в медицину и науку.
Создан пинцет для захвата объекта меньше эритроцита
Новый инструмент позволяет перемещать с места на место отдельные органические молекулы, не повреждая их. Это позволит больше узнать о молекуле ДНК, а также вовремя хватать вирусы «за руку» до того, как опасные заболевания вступят в поздние стадии.
Инженеры-электротехники из Университета Вандербильта усовершенствовали существующую технологию захвата мельчайших объектов и создали опто-термо-электродинамический пинцет, который может двигать в пространстве отдельные биомолекулы и белки, не касаясь их напрямую. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Nanotechnology, авторы демонстрируют пинцет, который захватывает и поднимает отдельные объекты размером до десяти нанометров, например, молекулу ДНК.
Идея оптического пинцета принадлежит Артуру Эшкину. В 2018 году учёный создал лазерную ловушку, удерживающую объекты очень малых размеров. Работа принесла Эшкину Нобелевскую премию по физике. С помощью сильно сфокусированных лазерных лучей Эшкин смог переместить объекты размером в сотни нанометров, такие как эритроциты — красные кровяные тельца. К сожалению, «клешни» пинцета оказались слишком большими, чтобы управлять отдельными молекулами. Лазерный луч может фокусировать свет только на определенный диаметр — примерно половину длины волны лазера. Для красного света с длиной волны 700 нанометров, пинцет мог фокусироваться и манипулировать объектами с диаметром примерно 350 нанометров или больше.
Вирусы, размеры которых около 100 нанометров, а также молекулы ДНК и белки с габаритами примерно 10 нанометров не могли быть передвинуты с помощью лазерного пинцета Эшкина.
Команда из университета Вандербильта использовала пластину с набором отверстий нанометрового диаметра. К пластине приложили электрическое поле, а её поверхность осветили. В результате возник изменяющийся в пространстве электрогидродинамический потенциал, который быстро улавливал биомолекулы размером менее 10 нанометров. Молекулы при этом находились вне фокуса высокоинтенсивного лазера и не повреждались.
Новый пинцет даст возможность наблюдать за работой ДНК и других биомолекул на беспрецедентно малых масштабах, а также позволит раньше диагностировать болезнь Альцгеймера, которую может запускать вирус герпеса, или другие нейродегенеративные заболевания на самых ранних стадиях.
Ученые вдохновились паутиной при создании биомедицинских фотодетекторов
Новаторы Университета Purdue берут пример с природы при разработке трехмерных фотодетекторов. Они использовали некоторые архитектурные особенности паутины для разработки технологии биомедицинской визуализации. Паутина отличается превосходной механической адаптацией и устойчивостью к повреждениям от различных нагрузок. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Materials.
«Мы использовали уникальный фрактальный дизайн паутины для разработки деформируемой и надежной электроники. В результате, она может легко взаимодействовать с любой трехмерной криволинейной поверхностью», — объясняет Чи Хван Ли, доцент кафедры биомедицинской инженерии и машиностроения Purdue. «Например, мы продемонстрировали полусферическую или куполообразную матрицу фотодетекторов, которая может определять направление и интенсивность падающего света одновременно. Это похоже на систему зрения членистоногих, таких как насекомые и ракообразные».
Технология экспертов Purdue использует структурную архитектуру паутины с повторяющимся узором.
Именно это обеспечивает уникальные возможности для распределения внешнего напряжения по резьбе в соответствии с эффективным соотношением спирального и радиального размеров. Кроме того, технология гарантирует большую растяжимость для лучшего рассеивания силы при растяжении.
«Полученные в результате трехмерные оптоэлектронные архитектуры особенно привлекательны для систем фотодетектирования, которые требуют большого поля зрения и широкоугольного антиотражающего изображения. Это будет полезно для многих целей биомедицинской и военной визуализации», — объясняет Мухаммад Ашрафул Алам, профессор электротехники и вычислительной техники.
«Техника сборки, представленная в этой работе, позволяет развертывать двумерную деформируемую электронику в трехмерных архитектурах. Похоже, нас ждут новые возможности для продвижения в области трехмерных электронных и оптоэлектронных устройств», — заключает Ли.
Создан антимикробный материал на основе паутины
Немецкие ученые видят для своей разработки большие перспективы как в медицине, так и в повседневной жизни.
Поверхности предметов, в том числе и используемых в медицинских целях, часто являются источником инфекций. Патогенные микроорганизмы постепенно создают на них тончайшую биопленку, часто устойчивую к антибиотикам и противомикробным препаратам, удалить которую сложно даже с чистящими средствами.
Однако исследователям из университета Байройта, похоже, удалось решить эту проблему. С помощью протеинов, полученных из паутины они создали наноматериал, который не позволяет задержаться на себе никаким болезнетворным микроорганизмам, в том числе и золотистому стафилококку. Теперь, по словам ученых, потенциально патогенные биопленки на поверхности инструментов, спортивных снарядов, контактных линз, протезов и прочих предметов, по всей видимости, останутся в прошлом.
При этом, как утверждают разработчики, материал обладает и еще одним полезным свойством — он поддерживает размножение человеческих клеток. Если им, например, покрыть перевязочные материалы для ран или импланты, то они будут производить не только антибактериальное, но одновременно и регенерирующее действие, ускоряя восстановление поврежденных тканей организма.
Антимикробные свойства своего материала ученые уже успешно протестировали на двух его производных формах — пленках и покрытии. «В результате наших изысканий, мы получили выводы, которые могут использованы для дальнейших исследований, — говорит доктор Тобиас Шайбель, завкафедрой биоматериалов в Университете Байройта. — Противомикробные свойства разработанного нами материала основаны не на токсическом, то есть не на убивающем клетки действии. Основным фактором являются, скорее, наноструктуры, которые делают поверхность паутины устойчивой к микроорганизмам. Патогены просто не могут удержаться на этой поверхности».
Gregor Lang
Создан гель, который может улучшить доставку лекарств в организм
Новый гидрогелевый материал, способный разрушаться и самопроизвольно реформироваться в желудочно-кишечном тракте, может помочь исследователям разработать более эффективные методы пероральной доставки лекарств. Ученые изучают ковалентные адаптируемые гидрогели (CAH), которые предназначены для высвобождения молекул по мере того, как они теряют полимер в желудке. А затем повторно гелируются самостоятельно, что защищает молекулы и позволяет им оставаться активными для целевой доставки в кишечник. Новое исследование публикует журнал Soft Matter.
Большинство лекарств и питательных веществ всасывается в организм в кишечнике, но, чтобы попасть туда, им нужно пройти через желудок — очень кислую суровую среду, которая может мешать действующим молекулам в фармацевтических препаратах.
Ученые занялись проблемой, изучив ковалентные адаптируемые гидрогели (CAH), которые планомерно высвобождают молекулы лекарства в кишечнике.
Чтобы охарактеризовать материал и дать представление о его фармацевтическом потенциале, исследователи перепрофилировал микрофлюидное устройство, первоначально разработанное в лаборатории Шульца, для исследования тканей и средств по уходу на дому для создания «желудочно-кишечного тракта на чипе». Экспериментальная установка позволяет обмениваться жидкой средой вокруг геля, чтобы имитировать рН среды всех органов в желудочно-кишечном тракте, моделируя, как материал будет реагировать со временем при попадании в организм.
Ковалентный адаптируемый гидрогель демонстрирует самопроизвольное повторное гелеобразование. Как правило, гели не разлагаются, а затем преобразуются без каких-либо дополнительных стимулов. Однако ученым удалось продемонстрировать жизнеспособность нового геля как средства пероральной доставки лекарств и питательных веществ. Теперь ученые начинают работать над исследованиями молекулярного высвобождения и добавлением других компонентов в гель.
Хотя тонкие листы выращенной в лаборатории биологической ткани ценятся благодаря способности заживлять раны, работать с ними порой очень сложно. Именно здесь на помощь приходит новый захват, вдохновленный конечностями осьминога.
Ученые создали искусственное «щупальце» с присосками, позволяющее работать даже с самыми деликатными медицинскими материалами
Если попытаться извлечь лист биоткани из культуры, в которой тот был выращен, обычным пинцетом, то этот хрупкий материал, скорее всего, разорвется или необратимо сморщится. Поэтому медикам приходится прибегать к хитростям.
Одна альтернатива включает выращивание листа ткани на чувствительном к температуре мягком полимере, который трансплантируется на место раны вместе с этим листом. По мере того, как полимер нагревается от тепла тела человека, он сжимается и, таким образом, освобождает тканевый лист. К сожалению, пересадка одного листа с помощью этого процесса занимает от 30 минут до часа, и в процессе лист все равно может быть поврежден.
Вместо этого международная группа ученых изучила способ, которым хватают предметы осьминоги, изменяя давление в присосках своих щупалец. Это привело исследователей к разработке прототипа устройства, которое представляет собой слой термочувствительного гидрогеля, прикрепленного к электронагревателю.
Чтобы поднять лист биоткани, прибор сначала нагревает гель, вызывая его усадку. Затем гель слегка прижимается к листу, а нагреватель выключается. Это заставляет гель расширяться до исходного состояния, при этом мягко присасываясь к листу. После этого можно спокойно извлекать лист из культуры и переносить на место раны. Чтобы присоска выпустила лист, гель снова нагревают – повторять этот процесс можно сколько угодно.
Весь процесс занимает всего около 10 секунд, и в планах ученых дальнейшее улучшение эргономики устройства.
«За счет интеграции датчиков давления с манипулятором можно было бы отслеживать деформацию целевых объектов во время контакта и, в свою очередь, регулировать силу всасывания до уровня, при котором материалы сохраняют свою структурную целостность и функциональность», — пояснил руководитель исследования проф. Хёнджун Конг из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн. «Поступая таким образом, мы можем повысить безопасность и точность обращения с этими материалами».
Повязка на основе графена заживляет раны и следит за состоянием пациента
Для больных с хроническими плохо заживающими ранами очень важно, чтобы врач имел постоянную информацию об их состоянии. Ученые биотехнологического стартапа Grapheal (Франция) в настоящее время работают над созданием устройства в виде повязки на основе графена, которое сможет решить эту задачу.
Повязка состоит из полимерной пленки и встроенной гибкой электроники, куда входят графеновые электроды, находящиеся в непосредственном контакте с раной.
По мере изменения химического состава раны (к примеру, при повышении уровня рН) проводимость графеновых электродов изменяется. Эта информация передается по беспроводному каналу с повязки на ближайший смартфон или планшет, а оттуда – на облачный сервер для анализа. Кроме того, графеновая повязка, как уже известно, обладает антибактериальными свойствами, помогая в заживлении раны.
Испытания новой технологии с участием добровольцев должны начаться в ближайшее время, а коммерческое внедрение – в течение примерно трех лет.
Учёные Сколково создали программу для определения «жидкого интеллекта»
Учёные Сколтеха разработали программу искусственного интеллекта, которая по анализу сделанного с помощью магнитно-резонансной томографии снимка мозга ребёнка может предсказать уровень его интеллектуальных способностей. С этой разработкой учёные заняли 4-е место в международном конкурсе по прогнозированию интеллекта. Об этом сообщает пресс-служба Сколтеха.
Национальный институт здоровья США инициировал международный конкурс по поиску оптимального метода оценки умственных способностей по снимкам МРТ. Для этого они представили участникам более 11 тыс структурных и функциональных МРТ-изображений детей в возрасте 9−10 лет.
Российские учёные предложили использовать нейронные сети сетевой архитектуры, которые используют ансамблевые методы, основанные на трехмерных сетях глубокого обучения. Полученный алгоритм позволяет проанализировать так называемый «жидкий интеллект», которым можно оценить биологические способности мозга, но который мало связан с приобретенными знаниями или навыками.
Вскоре новый метод будет представлен в Китае на одной из самых престижных в мире конференций по медицинской визуализации MICCAI 2019.
Ученые создали препарат, останавливающий деление раковых клеток
После 30 лет научных изысканий две фармкомпании объявили об успешных испытаниях препаратов, блокирующих белок KRAS, который стимулирует рост многих типов рака. Об этом сообщает Science.
Белок KRAS, как и другие белки из семейства RAS, ответственен в организме за деление клетки. И именно мутации в этих белках приводят к росту опухолей. Так, в раковых клетках находят повышенное содержание этих белков. Однако, разработать блокатор для этих белков было чрезвычайно трудно, поскольку их гладкие поверхности не имеют «карманов», к которым могли бы присоединиться молекулы лекарств.
В 2013 году учёным Калифорнийского университета в Сан-Франциско удалось создать молекулу, которая могла зацепиться за небольшую бороздку в мутантном белке, что приводило к остановке роста опухоли. Затем представители компании Amgen объявили о том, что ех молекула цепляется за вторую бороздку того же белка. Препарат получился ещё более сильным.
В ходе испытаний у подопытных мышей с разным типа рака наблюдалось сильное сокращение опухолей или даже их полное исчезновение после приёма препарата. А в опытах на людях произошло резкое сокращение опухоли у двух из четырех пациентов с запущенным раком легкого. Схожего результата добилась компания Mirati, создав свою версию блокатора KRAS.
Сотрудники компании Amgen также добавили к своему препарату так называемый «ингибитор PD-1», лекарство, которое не позволяет раковым клеткам блокировать активность Т-лимфоцитов, призванных находить и уничтожать мутировавшие опухолевые клетки. Такое сочетание приводило уже к полному излечению 9 из 10 мышей, больных раком, и подавлению таких видов опухолей, на которые другие лекарства вообще не действовали.
