Имплантируемые сенсоры позволят мониторить состояние лососевых
Внешний вид радужной форели с акцентом на жировой плавник. (а) Общая анатомия радужной форели (Oncorhynchus mykiss). (b) Фотография спинного плавника взрослой радужной форели при светопольном освещении. (c) Фотография жирового плавника взрослой радужной форели при светлопольном освещении. d – схема поперечного среза жирового плавника и прилегающих к нему мышц. (e) Продольный разрез проксимальной части жирового плавника.
На данный момент рыбные фермы производят около половины всей потребляемой человечеством рыбы. Однако традиционные методы контроля состояния рыб на фермах включают в себя проверку качества воды, контроль температурного режима, забор крови для биохимических анализов и оценку состояния внутренних органов, часто путём вскрытия. Забор крови вызывает у рыб очень большой стресс, и может приводить к летальному исходу. Эти методы не позволяют в полной мере оценить динамику изменения биохимических параметров. Например, изменения в рН крови и активности антиоксидантных ферментов могут свидетельствовать о стрессовом состоянии животного или неправильных условиях содержания. Перечисленные выше методы требуют применения анестезии и дают только точечное представление о состоянии организма. Для повышения качества рыбной продукции на рынке необходимо контролировать не только условия содержания, но и изменения в состоянии здоровья рыб в динамике.
Ученые НИИ биологии Иркутского государственного университета ведут разработку новейших технологий с использованием имплантируемых (т.е. внедряемых в ткань) оптических сенсоров, для длительного и постоянного мониторинга состояния здоровья рыб. Статья, описывающая варианты применения подобных сенсоров для оценки состояния здоровья радужной форели, недавно была опубликована учеными института в журнале Animals.
«В институте ведется разработка целой линейки новейших сенсоров. Все они основываются на использовании специальных флуоресцентных красителей, изменяющих характер своего свечения при изменении параметров окружающей их среды. В нашем случае средой являются внутренние ткани живых организмов, ключевые биохимические показатели здоровья которых мы стремимся отслеживать in vivo (прижизненно) и в режиме реального времени. Одни из них, например сенсоры заключенные в микрокапсулы, позволяют проводить оценку состояния мельчайших байкальских рачков, другие, например сенсоры, заключённые в гидрогелевые носители, применяются уже для более крупных организмов, таких как промысловые и культивируемые рыбы. Технология работает следующим образом: на внедренную в ткань живого организма сенсорную нить, светят лазером, возбуждающим флуоресценцию, а сигнал с сенсора считывают обычным спектрометром. В чем-то технология напоминает процесс считывания штрих-кода на кассе магазина. Только в нашем случае мы считываем не данные о товаре, а важную информацию о метаболических показателях рыбы, отражающих состояние ее здоровья», - поясняет директор института Максим Тимофеев.
Первым автором статьи выступил младший научный сотрудник института, аспирант Ярослав Ржечицкий. «Для применения имплантируемых сенсоров, требуется ряд условий, из которых важнейшим является высокая оптическая прозрачность тканей в месте инъекции. В нашей статье мы исследовали применимость жирового плавника лососёвых рыб в качестве точки для размещения сенсоров. И, как выяснилось, жировой плавник оказался самым оптимальным местом для имплантов. Ткани жирового плавника очень хорошо реагируют на изменения параметров на уровне целого организма, а также обладают оптимальными параметрами прозрачности и плотности, как для введения сенсоров, так и для считывания с них сигнала», - комментирует молодой исследователь.
Прототип переносной оптической установки для измерения рН in vivo с использованием имплантированных оптических сенсоров. (а) Оптическая схема установки. (b) Фотография устройства во время измерения pH в рыбе без использования анестезии.
Авторам статьи с помощью оптических имплантируемых сенсоров удалось в динамике оценить изменение параметров рН на активной рыбе, без использования анестезии и не подвергая рыбу дополнительному стрессу с помощью прототипа специальной переносной установки). Данные сенсоры позволили в течение девяти суток отслеживать изменения в рН рыб как в нормальных, так и в специально вызванных стрессовых условиях.
Работа велась в рамках проекта РНФ «Разработка подходов к использованию D-лактата для раннего определения патологических процессов, ассоциированных с бактериофлорой, у рыб в аквакультуре», руководителем которого стала Екатерина Борвинская.
«Данное исследование является одним из первых шагов к индивидуальной оценке состояния каждой рыбы в аквакультуре. Эту технологию возможно применять и для измерения других биохимических параметров, а также комбинировать с уже существующими смарт-технологиями, используемыми на «умных» фермах которые в автоматическом режиме оценивают морфометрические параметры рыбы. В будущем данная технология позволит предупреждать вспышки инфекционных заболеваний у рыб и лучше контролировать условия содержания, что существенно повысит качество рыбной продукции, поступающей на рынки», - комментирует Екатерина Борвинская.