Лактатный биосенсор научился определять перенапряжение мышц спортсменов даже в экстремальных условиях
Ученые создали биосенсор, позволяющий определять вредное для мышц перенапряжение по содержанию лактата в поте даже в условиях экстремальной жары. В эксперименте авторам удалось показать, что концентрация вещества в крови повышается только над работающей мышцей, а значит, предложенный биосенсор действительно характеризует усталость мышц. Такая разработка позволит вовремя обнаружить гипоксию — пониженное содержание кислорода в организме спортсмена при слишком интенсивных физических нагрузках. Результаты исследования, поддержанные грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Analytical Chemistry.
При тяжелых физических нагрузках человек тратит огромное количество энергии. Она должна быть восстановлена в будущем за счет гликолиза — окисления молекулы глюкозы до пировиноградной кислоты. В результате дальнейших процессов происходит образование и накопление лактата, который невозможно нейтрализовать из-за недостатка ресурсов и энергии у клетки. Этот процесс приводит не только к понижению эффективности тренировок, сильной усталости, но и к гипоксии — состоянию острой нехватки кислорода в отдельных органах, тканях или во всем организме человека. Оно может вызвать необратимые изменения и тяжелые патологии, именно поэтому во время интенсивных занятий необходимо измерять количество лактата в организме.
Ученые из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) разработали новый биосенсор, с помощью которого можно определить содержание лактата в поте. Сам он изготовлен на основе берлинской лазури и гексацианоферрата никеля и встроен в проточный коллектор пота, подключенный к прибору — амперметру или потенциометру. Механизм работы системы заключается в окислении лактата с помощью фермента лактатоксидазы до пировиноградной кислоты и пероксида водорода. Последний восстанавливается берлинской лазурью до гидроксид-ионов, которые фиксируются прибором. Именно по ним и определяется исходная концентрация лактата. Этот способ не инвазивен, что делает контроль за состоянием спортсмена безопасным и комфортным. Кроме того, он позволяет рассчитать концентрацию лактата в крови чисто математически без дополнительных манипуляций.
В данной работе ученые покрывали биосенсор дополнительной иономерной мембраной, которая позволила повысить стабильность работы прибора по сравнению с предыдущей версией. Кроме того, она значительно расширила диапазон определяемых концентраций — от 0,5 до 100 мМ, тогда как физиологическое содержание лактата в поте составляет порядка 9-40 мМ, а при тяжелых тренировках может достигать 40-80 мМ. Концентрацию вещества в крови можно вычислить по формуле.
В исследовании принимали участие спортсмены в возрасте от 20 до 30 лет. До начала эксперимента потоотделение вызывали действием раствора определенного химического вещества на потовые железы — это нужно для определения начальной концентрации лактата. Далее добровольцы выполняли физические упражнения — приседания. Приборы были закреплены на работающей мышце бедра и неработающей мышце предплечья. Значения, измеренные в поте из разных мест на теле, сильно различаются, из чего можно сделать вывод, что концентрация лактата увеличивается только в активных мышцах. Далее ученые проанализировали свойства нового биосенсора как при комнатной, так и температуре, повышенной до 60°С. На варианты, содержащие иономерную мембрану, такие изменения условий не повлияли, в то время как показатели эффективности остальных сенсоров (например, без мембран), падали при нагревании практически вдвое. Кроме того, в работе ученые впервые проанализировали неразбавленные пот и кровь: стабильность сенсора сохранялась постоянной в течение трех часов.
«В настоящее время создание различных биосенсоров является очень перспективным направлением. Инвазивные методы контроля состояния здоровья, например анализ крови, остаются самыми достоверными, однако из-за своей травматичности не позволяют отслеживать концентрацию того или иного вещества в организме человека на постоянной основе в обычной жизни. Разработанный нами высокочувствительный потовый сенсор, обладающий ранее недостижимой стабильностью, может использоваться в различных условиях для непрерывного контроля состояния спортсмена», — рассказывает Елена Дабосс, кандидат химических наук, старший научный сотрудник химического факультета МГУ.