Прямо зараз у вашому організмі тихо й непомітно розгортається процес, про який ми ще вчора навіть не здогадувалися?
Ці невидимі оку крихітні частки вже скрізь: у повітрі, яким ми дихаємо, улюблених кавових стаканчиках, океанах і, що найстрашніше, глибоко в наших тканинах та біологічних рідинах. Так, ви все правильно зрозуміли: нанопластик уже став частиною нашого тіла.
Чому звичні методи очищення та медицина виявляються безсилими перед цією проблемою? Як мікроскопічний розмір і хімічна активність пластику запускають у нас механізми хронічних запалень? І головне — чи є в людства шанс виграти цю невидиму технологічну битву до того, як наслідки стануть незворотними?
Відповіді на ці запитання шукає світова наука. У цьому надзвичайно важливому епізоді подкасту Глобального дослідницького центру АЛЛАТРА ведучий Джон Ан запросив до розмови людину, яка стоїть на самісінькій передовій цієї боротьби — доктора Шаліні Прасад, професорку та завідувачку кафедри біоінженерії Техаського університету в Далласі.
Це не чергове нудне інтерв’ю про суху науку. Це дорожня карта нашого з вами майбутнього, де передові біосенсори, нанотехнології та штучний інтелект стають єдиним реальним щитом людства. Влаштовуйтеся зручніше, заварюйте улюблений чай — ця розмова повністю переверне ваше уявлення про звичні речі та змусить по-новому подивитися на власне здоров'я!
John Ahn: Що ж особливого в мікро- і нанопластику?
Shalini Prasad: Хімічна активність поверхні таких частинок вельми значна. Саме їх розмір у першу чергу визначає протікання реакцій. Завдяки своїм малим розмірам частина здатна взаємодіяти з біологічними тканинами, викликаючи запальну реакцію. У свою чергу, ця реакція активує макрофаги. Таким чином, ключовим фактором впливу на організм людини є розмір частинок і зумовлена ним здатність викликати запалення.
Закадровий голос: Доктор Шаліні Прасад — професор і завідувачка кафедри біоінженерії Техаського університету в Далласі. У своїх дослідженнях вона об'єднує біоінженерію, нанотехнології та біосенсорику. Розробки в цих областях знаходять найрізноманітніше застосування — від моніторингу здоров'я людини і захворювань до контролю безпеки харчових продуктів і стану навколишнього середовища.
John Ahn: Вітаю і ласкаво просимо на сьогоднішній подкаст Глобального дослідницького центру «АЛЛАТРА». Мене звати Джон Ан, я — ведучий. Сьогодні я радий вітати докторку Шаліні Прасад. Докторко Прасад, для мене велика честь бачити вас сьогодні у нас в гостях.
Shalini Prasad: Взаємно. Я теж дуже рада брати участь у цьому подкасті разом з вами, Джоне.
John Ahn: Щиро дякую. Давайте почнемо з вашого шляху в науці. Що свого часу привело вас до біоінженерії та нанотехнологій? І як цей початковий інтерес у підсумку привів вас до тієї роботи, якою ви та ваша лабораторія сьогодні займаєтеся?
Shalini Prasad: Спочатку я здобула освіту в галузі класичної електротехніки. Бакалаврат я закінчила в Індії, і моя спеціалізація була тісно пов'язана з виявленням та обробкою сигналів. Але коли я приїхала до Каліфорнії, щоб здобути докторський ступінь, якраз починалася, якщо можна так сказати, нанореволюція та зародження Кремнієвої долини. Щоправда, я опинилася в Південній Каліфорнії, а мій науковий керівник на той момент працював над проєктом “DARPA Hard”. Його суть полягала в тому, щоб зрозуміти, як нейрони взаємодіють одне з одним, використовуючи напівпровідникові технології. По суті, завдання полягало в тому, щоб навчитися визначати, чи зазнавав військовослужбовець впливу нервово-паралітичних речовин, які неможливо виявити за запахом. І, відповідно, зрозуміти, як при цьому поводитимуться нейрони його мозку.
Отже, завдання досить комплексне, багатомірне. Йдеться про нейромедиатори, а це нанорівень. При цьому потрібно зчитати з них сигнал на напівпровідниковий чип, а це вже мікрорівень. Крім того, у системі присутні біологічні компоненти — на поверхні такого чипа фактично створюються цілі скупчення нейронів. Щоб розібратися в усіх цих рівнях завдання і зрозуміти, як вони взаємодіють між собою, мені, як інженерці-електрику, довелося освоювати біологію та нейробіологію і вчитися поєднувати ці знання з матеріалознавством. І тоді я зрозуміла, що для вирішення інженерних завдань, особливо настільки складних, необхідно передусім розуміти фундаментальні наукові принципи. І в цьому відношенні нанотехнології та матеріалознавство відіграють особливо важливу роль. Так я, власне, і прийшла в цю галузь. А з часом стала більше займатися її практичним застосуванням, зокрема розробкою сенсорів. Але в основі всього досі лежать фундаментальні знання: щоб розв'язувати подібні завдання, потрібно дуже добре розуміти базові принципи.
John Ahn: Так, звісно. Як науковець, я теж чудово це розумію: коли добре знаєш фундаментальні принципи, ці знання можна застосовувати в найрізноманітніших галузях і використовувати для вирішення безлічі завдань. Тому я з вами повністю погоджуюся. А тепер хотілося б почути вашу думку про цю галузь науки загалом. Ви працюєте в ній уже багато років. Які досягнення у сфері біосенсорики та діагностичних технологій за останні років десять здаються вам найбільш вражаючими? І як вони змінили наші можливості вивчати та розуміти біологічні системи?
Shalini Prasad: Розмір має вирішальне значення. І особливо важлива відповідність масштабів. Якщо ми хочемо проводити вимірювання на молекулярному рівні, нам потрібні системи порівнянного розміру — тоді можна досягти дуже ефективного перетворення сигналу. Це, по суті, фундаментальний принцип, що лежить в основі цього напряму. Коли у 2001 році я почала роботу над докторською дисертацією, був величезний бум на створення мікромасштабних систем, які зараз називають пристроями для діагностики за місцем лікування або системами «лабораторія на чипі». Суть у тому, щоб зрозуміти, як перенести ці великомасштабні лабораторні хімічні та аналітичні процеси в мікромасштаб, використовуючи накопичені знання в галузі проєктування напівпровідників і застосовуючи їх до цієї платформи, з тим щоб можна було вимірювати кілька параметрів одночасно.
Така платформа дозволяла одночасно вимірювати кілька показників, змішувати рідкі реагенти прямо на одному чипі та дуже швидко отримувати результат. Тобто більше не потрібно було проходити весь традиційний лабораторно-клінічний процес і чекати відповіді від одного дня до тижня. Приблизно на цьому етапі ми перебували двадцять з гаком років тому.
Сьогодні ж, завдяки можливості створювати нові матеріали із заданими властивостями — зокрема матеріали, здатні виконувати одразу кілька функцій, — розробка сенсорів уже не обмежується концепцією «лабораторії на чипі». Тепер ми можемо говорити про повністю неінвазивні портативні пристрої, біоморфні системи — про все, що дозволяє отримувати інформацію про поточний стан людини завдяки безпосередній взаємодії з її організмом.
Саме так почалася епоха портативних електронних технологій. І мова вже далеко не лише про системи безперервного моніторингу глюкози — з цього все почалося. Сьогодні головне завдання — зрозуміти, як вимірювати буквально всі аспекти активності людського організму. Біофізичні показники, біохімічні параметри, біосигнали — і об'єднувати всі ці дані в єдину систему.
І, звісно, до цього всього ми можемо залучити можливості штучного інтелекту, якими володіємо сьогодні. І тоді йдеться вже не просто про вимірювання та моніторинг. Ми отримуємо можливість прогнозувати, яким буде наш стан через певні проміжки часу. Адже якщо ми знаємо, що може статися з нами в майбутньому, то можемо вже зараз внести певні корективи, які вплинуть на це майбутнє, вірно? Саме в цьому сьогодні полягає наше бачення та основна цінність таких технологій. Нові матеріали в поєднанні з усією сучасною інженерною екосистемою можуть допомогти нам вирішити це завдання.
John Ahn: А чи є інші властивості, настільки ж важливі, як розмір? Чи розмір усе-таки є головним фактором? Як щодо заряду чи форми? Чи все ж таки саме розмір — найважливіший параметр для таких наноматеріалів?
Shalini Prasad: Думаю…
John Ahn: І чому це важливо?
Shalini Prasad: Так, звісно. Давайте почнемо з розміру. Вся ця ідея зводиться до узгодження розмірів, вірно? Припустимо, ви хочете отримати хороший сигнал на тлі шуму. Під сигналом розуміється визначення наявності частинки мікро- чи нанорозміру, при цьому використовується мікро- чи нанопорожнина, в яку вловлюється ця частинка. І при збігу масштабів розмірів вплив навколишнього середовища — чи то біологічні рідини, чи то, скажімо, харчові матриці тощо — буде значно ослаблений, і перешкоди від шуму цих сигналів будуть значною мірою згладжені. А сигнал буде значною мірою визначатися саме взаємодією, що виникає завдяки збігу розмірів. Це перший фактор.
Другий фактор, як ви правильно помітили, — це заряд. Заряд відіграє дуже важливу роль, оскільки саме він визначає характер взаємодії тієї чи іншої молекули або частинки, яку потрібно дослідити чи виміряти, з системою речовин, у якій проводяться вимірювання. Це можуть бути електростатичні взаємодії або ковалентні, які вже мають постійний характер. У цьому випадку зв'язок повний, і вивільнити частинку назад уже не можна. Тому проєктується система з одним вимірювальним датчиком. Крім того, можуть мати місце ван-дер-ваальсові взаємодії, які є відносно слабкими, але їх усе одно достатньо, щоб можна було витягти сигнал. Отож, другий важливий фактор — це заряд.
І, нарешті, третій — це форма. Тут, на мій погляд, дуже наглядний приклад дає біологія. Візьмемо білок. У нього є не лише первинна та вторинна структури — зрештою він згортається у третинну структуру. І ефективність роботи білка багато в чому залежить саме від цієї третинної структури.
Якщо витягти білок з організму, помістити його, наприклад, на покривне скло, де він розпрямиться, то він втратить свої властивості й функціонувати так само, як в організмі, він уже не зможе. Тому збереження конформації, тобто форми, є критично важливим для збереження функціональності.
А тепер перенесемо цей принцип на частинки. Вплив сферичних частинок на біологічні системи, мабуть, буде набагато слабшим, ніж вплив частинок із більшою площею поверхні. Причому по цій збільшеній поверхні буде ще й розподілений електричний заряд. Тому, наприклад, частинка у формі квасолини потенційно може чинити набагато виразніший негативний вплив, ніж сферична частинка.
І якщо розглядати це як функцію часу та функцію мікросередовища, тобто впливу кислот і лугів на матеріал, то насамперед виникають деформації, які відбуваються нерівномірно. Це, своєю чергою, впливає на ефективний заряд, який залежить від форми молекули. Таким чином, розмір, заряд і форма — це три фактори, які необхідно враховувати під час розробки систем для вимірювання, особливо якщо йдеться про дуже малі об'єкти.
John Ahn: А як найкраще вимірювати та характеризувати ці параметри? Із зарядом загалом усе більш-менш зрозуміло. Можна, наприклад, виміряти сумарний заряд або дзета-потенціал — це одна річ. Але що, якщо заряд неоднорідний чи розподілений по поверхні нерівномірно? Це ж доволі складне завдання, еге ж? І друге питання — воно стосується морфології. Чи потрібно використовувати якийсь мікроскоп, щоб визначити: ось ця частинка витягнута, ця сферична, а ця має якусь іншу форму? Якими методами найкраще характеризувати заряд і морфологію? І чи існують сьогодні справді ефективні сучасні методи для розв'язання цього завдання?
Shalini Prasad: Можливості вимірювання цих параметрів у лабораторії, звісно, відрізняються від вимог до портативної системи чи приладу, який можна використовувати безпосередньо в польових умовах.
Давайте спочатку поговоримо про заряд. Існує безліч методів, але електрохімічні методи особливо зручні, тому що їх можна використовувати як для лабораторних вимірювань, так і в портативних чи польових приладах.
Один із найефективніших методів — електрохімічна імпедансна спектроскопія. Що вона робить? Вона дозволяє охарактеризувати заряд як заряджених, так і незаряджених частинок. Що я маю на увазі? Візьмемо, наприклад, полімерну систему. Багато полімерів мають негативний чи позитивний заряд на поверхні. Але є й такі, які відносно незаряджені, проте всі вони мають діелектричні властивості, оскільки здатність цього полімерного матеріалу накопичувати заряд існує, нехай навіть у дуже невеликій мірі. Це схоже на «протікаючий» діелектрик, але, тим не менш, ця властивість присутня. Виходить, що при електрохімічній імпедансній спектроскопії використовуються частинки, які перебувають у якомусь буфері, біологічній рідині або певній рідкій середовищі.
Ця рідина потім стає електролітом, а заряд електроліту буде базовим зарядом. Таким чином, можна охарактеризувати це явище під час сканування в діапазоні частот, починаючи з низьких частот, які можуть варіюватися від мілігерц до мегагерц. При цьому вплив малих частинок, зафіксованих у рідині або наявних у ній у звислому стані (суспензії), значною мірою проявлятиметься на низьких частотах. Таким чином, цей ефект спостерігатиметься в діапазоні частот нижче приблизно п'яти кілогерців, швидше за все, в герцевому діапазоні. Як можна побачити цей ефект? Його спостерігають у так званій ємності подвійного електричного шару.
Ця частинка фактично модулює подвійний шар, подібно до того як при вимірюванні дзета-потенціалу подвійний шар утворюється на міжфазній границі частинки. І ви можете це виміряти. Однак замість використання приладу для вимірювання дзета-потенціалу (зетасайзера) вимірювання проводяться безпосередньо в розчині за допомогою поверхні електрода, який і виступає в ролі сенсора.
Таким чином, характеристика заряду — великого чи малого — переводиться у вимірювання імпедансу. Потім це вимірювання імпедансу спрощується, розкладаючись на дійсну та уявну складові. Уявна складова містить ємнісний опір, і ця ємність може бути зіставлена або скорельована із зарядом досліджуваного об'єкта.
Частота, на якій проявляється цей ефект, залежатиме від типу діелектрика. А тип діелектрика, своєю чергою, тісно пов'язаний з тим, який саме полімер досліджують. Тобто, по суті, за допомогою електрохімічної імпедансної спектроскопії можна фактично одночасно характеризувати цілу низку полімерів із різною молекулярною масою.
Друга складова — це морфологія. Якщо говорити про морфологію, то, звісно, можна використовувати атомно-силову мікроскопію, яка дозволяє охарактеризувати рельєф поверхні, а також скануючу електронну мікроскопію. Але все це методи, що вимагають фіксації зразка. І якщо ви хочете охарактеризувати щось прямо в рідині, отут і починаються складнощі. У таких випадках зазвичай доводиться порівнювати наповнені й ненаповнені рідкі системи, а потім намагатися вичленувати форму цих об'єктів, що є надзвичайно складно. Тому для подібних цілей доводиться застосовувати атомно-силову мікроскопію (АСМ) або скануючу електронну мікроскопію (СЕМ). Іноді також використовується раманівська спектроскопія, щоб оцінити агломерацію частинок, але цей метод є менш ефективним для визначення їхньої точної форми. Ось, власне, основні способи аналізу морфології та заряду.
John Ahn: Що стосується морфології: які форми найскладніше охарактеризувати? Наприклад, сферичні частинки досліджувати простіше, ніж витягнуті? Чи це залежить від інших факторів, і форма сама по собі не така важлива?
Shalini Prasad: Сферичні частинки, безумовно, досліджувати найпростіше. За будь-якої технології візуалізації зображення намагаються математично опрацювати об'єкт таким чином, щоб він виглядав максимально сферичним, вірно? Тобто намагаються звести все до цієї системи. Будь-яку несиметричну форму охарактеризувати складно. Симетричні форми досліджувати трохи простіше — наприклад, об'єкти еліптичної форми. Але найскладніше доводиться тоді, коли симетрія повністю відсутня або коли товщина частинки змінюється вздовж поперечної чи головної осі при аналізі її розподілу. Ось чому в підсумку доводиться вдаватися до лабораторних методів, де проводиться фіксація зразка та його повторна характеристика.
John Ahn: Зрозуміло. Отже, ми поговорили про розмір, заряд і морфологію частинок. Але будь-які мікро- та наночастинки зрештою потрапляють у якесь середовище — наприклад, у біологічні рідини. І опинившись там, вони починають покриватися найрізноманітнішими речовинами: білками, ліпідами, можливо, металами — загалом, усім, що присутнє в цьому середовищі. Чи могли б ви описати, як відбувається така трансформація? І наскільки вона ускладнює аналіз цих зразків і прогнозування поведінки частинок?
Shalini Prasad: Як ми вже говорили на самому початку, частинки мають електричний заряд. А тепер увімкнемо уяву: така частинка потрапляє в біологічну рідину, що містить іони, білки, клітинний детрит та інші компоненти — залежно від конкретного середовища. Якщо йдеться, наприклад, про біологічну рідину, вже взяту з організму, то суттєвий вплив на частинку справлятимуть білки, ліпіди та солі. Це призводить одразу до кількох процесів.
По-перше, на поверхні частинки відбуваються хімічні реакції. У результаті частинка може тією чи іншою мірою руйнуватися або зазнавати ерозії під впливом кислотно-основного середовища. Швидше за все, рідина матиме кислу природу, тому між нею і частинкою відбуватиметься хімічна взаємодія.
По-друге, у результаті цих процесів збільшується площа поверхні частинки. І тоді білки, які є в рідині, починають на ній накопичуватися й агломеруватися. У підсумку формується свого роду матриця, в якій частинки оточені та буквально вбудовані у велику кількість білкового матеріалу. Виходить доволі щільна, в'язка маса.
І якщо потрібно визначити, скільки частинок міститься в певному об'ємі такого середовища, завдання стає надзвичайно складним. Тобто проблема ускладнюється багатократно. Щоб охарактеризувати частинки, спершу доводиться зруйнувати сформовану навколо них матрицю, а потім уже виділяти та аналізувати потрібний сигнал. Що довше частинки перебувають у рідині, то довше тривають ці реакції і то активніше формуються агломеровані поверхні.
У підсумку аналіз стає складним ще й тому, що ми маємо справу зі сумішшю органічних і неорганічних компонентів. А методи дослідження органічних і неорганічних матеріалів різняться. Тому доводиться проводити попередню підготовку зразка. Наприклад, можна використовувати кислотний розклад, щоб розщепити цю масу, потім виділити неорганічний матеріал і вже після цього досліджувати його за допомогою імпедансної спектроскопії або іншого методу, що дозволяє визначити як концентрацію, так і розмір частинок.
John Ahn: Але хіба це певним чином не ускладнює аналіз? У реальних умовах наночастинки покриваються еко- та біокоронами й певним чином взаємодіють із клітинами та мембранами. Але під час аналізу всі ці оболонки доводиться видаляти, і в підсумку досліджуються, по суті, «голі», чисті частинки. Як біологу враховувати все це? Адже хочеться досліджувати частинку в її природному оточенні, але водночас необхідно проаналізувати її неорганічну частину, а для цього доводиться видаляти всю корону. Як же врахувати всі ці… Я не впевнений, що «відмінності» — тут підходяще слово, але після видалення корони досліджувана частинка вже відрізнятиметься від тієї, яка насправді присутня в навколишньому середовищі. Як це враховувати?
Shalini Prasad: Так. Тут діє той самий принцип, що й при макромолекулярному краудингу — ефекті високої концентрації макромолекул у обмеженому просторі. Цей принцип лежить в основі подібних досліджень. І тут ми повертаємося до вихідного біологічного завдання.
Якщо ви хочете охарактеризувати білок у його нативній (природній) формі, необхідно знайти спосіб досліджувати його безпосередньо in situ, щоб він зберігав свою природну конформацію. Якщо ж витягти білок і досліджувати його в системі ex vivo, він, по суті, втрачає свою третинну структуру, внаслідок чого зареєструвати сигнал уже не вдається.
Тому досліджуваний об'єкт необхідно помістити в обмежений простір, ефективний об'єм якого відомий, а потім провести аналіз методом віднімання фонового сигналу. У цьому й полягають основні принципи макромолекулярного краудингу в біологічних системах.
Якщо перенести цей підхід на наше завдання, то тут знову ж таки необхідно вибрати спектроскопічний метод, оскільки саме він дозволяє за допомогою частот розділити складові сигналу, пов'язані з органічним і неорганічним матеріалом.
Якщо проводити попередню підготовку зразка в лабораторії, то під час подальшого аналізу, як ви слушно зауважили, можна отримати чітко виділений сигнал від неорганічного матеріалу — в цьому випадку від полімерних частинок.
При цьому ми отримуємо сигнал від усієї органічної складової. Його можна розглядати як бібліотеку еталонів. Потім ми повертаємося до самого зразка, де органічні та неорганічні компоненти присутні разом із біокоронами і взаємодіють між собою. У результаті утворюються великі міцели, де все це об'єднано.
Тут важливо, з якою швидкістю виконується розгортка за частотою під час аналізу цього композиту: зокрема, наскільки повільно вона проводиться. Отриманий у такий спосіб сигнал потім можна опрацювати за допомогою сегментації сигналу та методів штучного інтелекту, щоб виділити складові, пов'язані з органічним і неорганічним матеріалом.
І далі можна визначити, які складові сигналу пов'язані з конкретним полімером – наприклад, ПВХ, поліпірролом тощо. Адже якщо орієнтуватися лише на заряд, тобто на постійну складову сигналу (DC-компоненту), усі ці матеріали матимуть або негативний, або позитивний заряд – залежно від того, що саме досліджується.
Тому сам по собі заряд тут малоінформативний. А от діелектричні властивості можуть дати необхідну інформацію, проте сигнал від них маскуватиметься присутністю органічного матеріалу.
Ось так і проводиться деконволюція сигналу. Цей принцип деконволюції дуже схожий на той, який використовується в інфрачервоній спектроскопії з перетворенням Фур'є. У цьому випадку досліджувану молекулу поляризують, а потім визначають, що це за молекула. Тут застосовується той самий підхід, але в даному випадку він дозволяє розрізняти органічний і неорганічний матеріал. Саме так цей підхід можна застосовувати в польових умовах.
Однак у лабораторії для створення бази даних доводиться діяти саме так: повністю видаляти всі зовнішні шари й досліджувати частинку. При цьому сам по собі такий сигнал не дає повної картини. Річ у тім, що сигнал змінюється в міру зміни морфології одного й того ж матеріалу.
Тому необхідно досліджувати матеріал за певних варіантів його морфології. Так, цей підхід багато в чому ґрунтується на емпіричних даних. І так, ми поки не досягли того рівня, до якого прагнемо. Але якщо врахувати, що раніше ми взагалі нічого не мали, то приблизно таким є теперішній стан справ.
Саме тому мене дуже надихає те, що відбувається в цій галузі. Зараз вона, мабуть, викликає особливо великий інтерес, оскільки останнім часом увага до цієї теми значно зросла — зокрема до того, як усе це впливає на наше фізичне здоров'я. Саме тому зараз ресурси спрямовуються на вирішення цих проблем.
John Ahn: Зрозуміло. Тобто ви повністю очищуєте частинку, проводите вимірювання й отримуєте свого роду еталон. Потім проводите вимірювання вже з менш очищеним зразком і аналізуєте результати. Це ви і маєте на увазі під деконволюцією сигналу, вірно?
Shalini Prasad: Саме так. Усе правильно. Так.
John Ahn: Зрозуміло. Чудово. Тепер давайте поговоримо про це докладніше. Ми вже говорили загалом про наноматеріали, а тепер перейдемо безпосередньо до мікро- та нанопластику. Чим мікро- та нанопластик відрізняється від мікро- та наноматеріалів загалом? У чому особливість саме мікро- та нанопластику?
Shalini Prasad: Пластмаси — це передусім полімерні матеріали, утворені повторюваними хімічними ланцюгами. У таких масштабах їхня активність стає суттєвим фактором, і особливо важливу роль відіграє реакційна здатність поверхні. Мікро- чи наночастинка іншого матеріалу може бути такого ж розміру, що й частинка мікро- чи нанопластику, однак саме поверхнева активність і властивості поверхні пластику, по суті, визначають його вплив на біологічні процеси.
На мій погляд, у цьому й полягає ключова відмінність: досліджувати мікро- та нанопластик набагато складніше, ніж мікро- та наноматеріали, які можуть бути металевими, напівпровідниковими або суто діелектричними. У даному випадку ми маємо справу переважно з квазідіелектричними системами. У таких діелектричних системах із певною провідністю присутній заряд, проте його прояв значною мірою маскується взаємодією частинки з тим середовищем, у якому вона перебуває.
John Ahn: Припустимо, що в мікро- та нанопластику якимось дивом узагалі немає заряду – тобто проблема із зарядом зникла. Чи можна тоді вважати, що мікро- та нанопластик нетоксичний? Якби він не мав цих діелектричних властивостей, чи так воно було б? Зрозуміло, що це не так, але чисто теоретично…
Shalini Prasad: Я розумію, чому ви так ставите питання, і ви абсолютно праві. Саме розмір частинок насамперед визначає їхню здатність вступати в різні реакції. При цьому неважливо, є в частинки заряд чи ні. Уже сам факт того, що частинка перебуває в цьому розмірному діапазоні, дозволяє їй взаємодіяти з біологічним матеріалом, і це викликає запальну реакцію.
Через свої нанорозміри частинка здатна проникати крізь ліпідний бішар клітин або взаємодіяти з ним. У відповідь на це запальний процес активує макрофаги, після чого запускається процес фібриногенезу. У результаті навколо цих частинок формуються фібринові структури, що ще сильніше підстьобує запалення. Якщо уявити, що частинки потрапили всередину організму непомітно для людини, вони викличуть виражене запалення в шлунково-кишковому тракті. Це може призвести як до відносно легких розладів на кшталт синдрому подразненого кишківника, так і до тяжких запальних захворювань кишківника.
Те, як саме частинки впливають на слизову оболонку ШКТ, залежить від часу їхнього перебування там. По суті, вони призводять до інкапсуляції та спричиняють відшарування слизової оболонки. А слизова оболонка кишківника відіграє найважливішу захисну роль, оскільки саме вона захищає шлунково-кишковий тракт. Коли цей бар'єр руйнується, в організмі починається тривале хронічне запалення. Таким чином, визначальним фактором є розмір частинок, тоді як заряд відіграє другорядну роль. Саме розмір частинок та їхня здатність викликати запальну реакцію мають ключове значення для впливу на організм людини.
John Ahn: Якщо говорити про можливі рішення… В ідеалі хотілося б повністю позбутися мікро- та нанопластику, якщо це можливо. Але очевидно, що видалити його з нашого мозку, океанів і повітря доволі складно. Тому в мене таке питання: як ви вже сказали, розмір відіграє дуже важливу роль, а другий фактор – заряд. Якби вдалося якимось чином нейтралізувати або зменшити цей заряд, чи допомогло б це знизити вплив на організм? І друге питання: чи можна зменшити заряд у великих масштабах? Ось таких два запитання.
Shalini Prasad: Безумовно. Одним із можливих підходів могла б стати розробка методів капсулювання таких частинок, які можна застосовувати у великих масштабах. Капсулювання дозволило б нейтралізувати вплив цих частинок на більші системи та знизити ймовірність розвитку запальної реакції.
Тут можна використовувати підходи, аналогічні тим, які застосовуються для капсулювання лікарських препаратів при їх адресній доставці. Тобто йдеться про ту чи іншу форму ізоляції. Крім того, можна використовувати пегілювання, поліетиленгліколь та інші подібні методи.
Однак проблема в тому, що ми не знаємо, звідки саме з'являються ці частинки, тому складно виробити єдиний підхід до їх усунення. І ця проблема зберігається. Друге питання – чи можна їх розщепити. Наприклад, можна спершу застосувати капсулювання, а потім запустити процес розщеплення – зокрема, ферментативного розщеплення цих структур. Таким чином, їх можна зруйнувати, щоб вони вже не могли викликати запальну реакцію. Вивчалося, наприклад, вплив куркуми чи куркуміну, а також інших речовин, які, можливо, здатні запускати деякі з цих реакцій, використовуючи такі природні, стійкі та органічні методи. Однак жоден із них поки не вдалося успішно застосувати у великих масштабах. Причин тому багато, але основна проблема пов'язана з кінетикою реакцій: при масштабуванні важко забезпечити умови, необхідні для того, щоб реакція щоразу протікала однаковим чином. Тому тут ще належить знайти рішення.
Інший підхід, який зараз досліджується, – створення нешкідливих матеріалів, які можна було б поміщати в океан і які з часом розкладатимуться. Вони могли б діяти свого роду як рибальська мережа: захоплювати шкідливі частинки, притягувати їх до себе та розщеплювати. Після цього матеріал, по суті, перерозподіляється, тобто нейтралізується. Усі ці стратегії наразі ще досліджуються. Наскільки нам відомо, поки жодна з них не показала таких результатів, щоб можна було сказати: ось шлях, яким слід рухатися далі. Принаймні, саме на цьому етапі зараз перебуває ця галузь досліджень.
John Ahn: Якщо говорити про майбутнє, то, враховуючи вашу спеціалізацію в галузі біосенсорики та діагностики, де ви бачите найбільші перспективи використання цих технологій у роботі з мікро- та нанопластиком, особливо в складних біологічних системах і навколишньому середовищі?
Shalini Prasad: Біосенсори, я думаю, можуть застосовуватися як поза організмом, так і всередині нього. При цьому робота поза організмом, імовірно, є простішим підходом. Ми певною мірою можемо використовувати різні способи аналізу – чи то вода океану, чи то біологічні рідини. Наприклад, можна досліджувати зразки сечі, крові та інші біоматеріали й визначати наявність у них мікро- та нанопластику. Це дозволить принаймні отримати первинну оцінку.
Передусім необхідно встановити вихідний рівень: якій дозі впливу мікро- та нанопластику зазнає людина? Сьогодні це зовсім не вивчено і залишається невідомим.
І саме тут відкривається перша можливість для застосування біосенсорних систем. По суті, йдеться про моніторинг: необхідно визначити, скільки мікро- та нанопластику присутньо і що саме це за частинки. І, звісно, можна очікувати, що подібні біосенсорні системи будуть особливо корисними для людей, які зазнають впливу мікро- та нанопластику з навколишнього середовища або живуть у районах, де утворюється більше таких частинок.
Тепер інший бік цього питання: можливо, накопичення не настільки значне, щоб частинки виводилися з біологічними рідинами, проте вони цілком можуть бути присутніми в тканинах. А адже біопсії проводяться постійно. Люди постійно проходять ту ж колоноскопію. І якщо поряд зі звичайними дослідженнями, наприклад скринінгом на рак, проводити біосенсорний аналіз тканин, щоб визначити, чи присутній у них мікро- та нанопластик, це дозволить оцінити його наявність у тканинах.
Друге питання: що можна зробити, коли ми вже встановили, що мікро- та нанопластик присутній? Найважливіше, що можна зробити для людини, — знизити запальну реакцію. Один із підходів полягає саме в цьому. Для зниження запальної реакції використовують різні добавки, наприклад добавки з куркуміном та інші аналогічні засоби. Але це вже належить до галузі функціональної медицини і, по суті, нічого не лікує.
Це радше підхід, спрямований на виявлення порушень, якщо можна так висловитися. Якщо ж говорити про масштаби навколишнього середовища, то аналіз проб морської води чи повітря дозволяє визначити певну концентрацію конкретних частинок. А далі постає питання: які методи очищення можна застосувати? Уже розроблені ферментативні методи очищення, які можна застосовувати, наприклад, у морській воді для її очищення. Однак поки такі методи можна застосовувати лише локально і цілеспрямовано, оскільки використовувати їх у великих масштабах досі неможливо.
До того ж це дуже дорого. Вартість очищення одного квадратного фута становить від десятків до сотень тисяч доларів. За таких витрат необхідно розробляти дешевші та високо ефективні методи.
Це дозволило б більш цілеспрямовано використовувати наявні ресурси – приблизно так само, як під час пандемії COVID, коли необхідно було вирішувати, як розподілити певний обмежений обсяг медичних ресурсів з урахуванням поширеності чи частоти випадків захворювання. Той самий принцип можна застосувати й тут: залежно від того, наскільки поширений мікро- та нанопластик або як часто він виявляється, можна цілеспрямовано застосовувати ті чи інші наявні методи очищення.
Саме такі можливості відкривають сенсорні технології. Головне, що сенсорні технології дозволяють робити вже сьогодні, — це виявляти не лише заряджені частинки. Як я вже казала, ми можемо виявляти й незаряджені частинки. І я думаю, що саме це є однією з ключових можливостей сучасних сенсорних платформ.
John Ahn: Судячи з усього, хороших ідей у нас багато, але вони можуть так і залишитися в лабораторіях або не отримати подальшого розвитку. Що необхідно зробити, щоб вивести ці перспективні технології на ринок? У вас є підприємницький досвід. Як ви вважаєте, що потрібно зробити, щоб ці технології справді вийшли на ринок?
Shalini Prasad: Передусім необхідно зрозуміти, для кого це призначено, яким є масштаб проблеми і яким є практичне застосування. Ми створили сенсор мікро- та нанопластику, який здатний визначати кількість присутніх частинок і розпізнавати певні їхні типи – наприклад, поліпіррол, полівінілхлорид, поліметилметакрилат та інші, всього три-чотири типи. І тоді виникає питання: як розробити скринінговий тест? Адже саме в цьому і полягає цінність цієї технології.
Скринінговий тест повинен підходити не лише для обстеження людини, а й для аналізу навколишнього середовища та продуктів харчування. Це означає, що необхідно розробити тест, здатний працювати з харчовими матрицями, водою та біологічними рідинами.
Після цього, звісно, слід підтвердити концепцію в межах пілотного дослідження. Таке дослідження повинно мати достатню статистичну потужність і наочно продемонструвати практичну користь підходу.
У галузі аналізу забруднювачів харчових продуктів ми вже просунулися досить далеко і розуміємо, як їх досліджувати. Потім методику необхідно обґрунтувати. Для цього використовуються спектроскопічні, стандартні методи ГХ-МС (газова хроматографія — мас-спектрометрія) та РХ-МС (рідинна хроматографія — мас-спектрометрія), піроліз із наступною мас-спектрометрією, а також раманівська спектроскопія.
Необхідно підтвердити, що результати скринінгового теста збігаються з даними лабораторного золотого стандарту. Лише після цього ми отримуємо платформу, підтверджену з технічної та наукової точок зору.
Далі постає питання практичного впровадження, і тут ключову роль відіграють партнерства. Особливо важливою є участь некомерційних організацій, що працюють у цій галузі. Саме тому я бачу велику цінність у тому, щоб відкрито розповідати про цю технологію. Тоді її зможуть узяти на озброєння дослідники з усього світу і показати, що вона працює глобально, а не лише в одному регіоні.
Потім, звісно, виникає питання: як сформувати комерційну привабливість? Якщо залучати виключно венчурний капітал, вартість тесту неминуче зросте через необхідність окупати інвестиції. Тому тут критично важливою є державна підтримка, яка дозволить знизити собівартість тестування. Саме так було під час пандемії COVID-19: поява доступних і масових експрес-тестів стала можливою саме завдяки тому, що уряди різних країн інвестували кошти в зниження їхньої вартості.
Це глобальна проблема. Морські води й повітря не знають кордонів. Тому, я думаю, наше завдання – створити такі тести, вартість яких знижуватиметься в міру виробництва мільйонними тиражами, а потім за допомогою державної підтримки зробити їх широко доступними. Адже мова тут йде не про комерційну вигоду, а про суспільне благо. Саме так я це бачу.
І, звісно, якщо з'явиться багато конкуруючих технологій, орієнтованих на суспільне благо, саме це, на мій погляд, дозволить досягти реального прогресу. По-перше, необхідний моніторинг. Спершу потрібно зрозуміти, що саме ми вимірюємо, а потім провести ці вимірювання й переконатися, що ми вимірюємо саме те, що потрібно. Адже лише отримавши достовірні результати вимірювань, можна переходити до наступних етапів – очищення, усунення та інших практичних заходів.
Таким чином, це триетапний процес. Я розробляю технології для першого етапу, але мені необхідно співпрацювати з тими, хто може займатися і наступними етапами. Саме так я бачу можливість перетворити лабораторну ідею на технологію, яка приносить реальну користь суспільству.
John Ahn: Щиро дякую, що поділилися цим із нами. У нас вийшла чудова розмова. І на завершення я хотів би запитати: чи є якась головна думка, яку ви хотіли б донести до наших слухачів? Якби потрібно було сформулювати одне послання, яким би воно було?
Shalini Prasad: Для будь-якої ідеї в лабораторії дуже важливо якомога раніше перевірити ідею і зрозуміти, чи життєздатна вона на довгій дистанції. Чи буде це спринт чи марафон? Будь-яка вдала ідея, що виникла в стінах лабораторії, може призвести до наукової публікації, але сама по собі публікація не приносить користі суспільству, якщо не вивести цю технологію в реальний світ і не застосувати в найрізноманітніших умовах. Тому важливо швидко перевіряти гіпотези на міцність і знаходити партнерів. Якою б багатообіцяючою не була ідея, що виникла в лабораторії, необхідно знайти відповідних партнерів, щоб упровадити її в практику й оцінити масштаб її впливу. Створюючи будь-яку технологію, я сподіваюся знайти саме таких партнерів, щоб зрозуміти, яку максимальну користь вона здатна принести суспільству. Тому мій посил до кожного: не зациклюйтеся лише на тому, щоб змусити технологію працювати в лабораторії. Потрібно думати і про те, як вивести її за межі лабораторії. Особисто я керуюся саме цим.
John Ahn: Щиро дякую. Це дуже хороша думка. І дякую, що поділилися всіма цими цінними висновками з нашою аудиторією. Я щиро вдячний за те, що ви прийшли до нас і ділитеся своїми знаннями. Ви справді допомогли нам глибше розібратися, як розвиток біосенсорних технологій дозволяє вивчати як біологічні процеси в нашому організмі, так і нові виклики, такі як мікро- та нанопластик. Ще раз дякую, докторко Прасад. І дякую нашим слухачам за увагу! Якщо ви хочете докладніше дізнатися про роботу докторки Прасад або глибше вивчити тему мікро- та нанопластику, всю інформацію та посилання ви знайдете в описі нижче. Ще раз дякую, що слухали нас, і до нових зустрічей!
