Новый нательный электроанализатор помог выяснить, что вспотеть и устать — не одно и то же

Химики и материаловеды МГУ разработали носимые сенсоры, позволяющие одновременно измерять концентрацию лактата (соли молочной кислоты) в поте человека и скорость потоотделения — два параметра, вопреки более ранним предположениям оказавшиеся независимыми друг от друга. Лактат служит маркером гипоксии, возникающей при интенсивных тренировках и сопровождающейся усталостью в мышцах. При слишком изнурительных и долгих занятиях гипоксия может не только снизить продуктивность упражнений, но и привести к проблемам со здоровьем. Проведенное исследование подтверждает диагностическую ценность пота для ее неинвазивной диагностики по уровню лактата в поте спортсменов. С результатами работы, поддержанной грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), можно ознакомиться в журнале Biosensors and Bioelectronics.

Анализ крови остается надежным подходом для оценки состояния организма, в частности исследования продуктов обмена веществ, или метаболитов. Вместе с тем идут активные разработки менее травматичных и более комфортных для человека технологий. Так, неинвазивная диагностика метаболитов с помощью носимых устройств — одна из ключевых концепций медицины будущего. С их помощью можно измерять содержание в организме таких веществ, как глюкоза, соли молочной кислоты (лактаты) и прочие, и для этого достаточно пота.

«Разработчики подобных гаджетов уделяют мало внимания физиологическим аспектам. В ряде исследований помимо концентраций метаболитов проводится параллельное измерение температуры тела и электролитного состава, однако такой важный аспект, как скорость выделения пота (а значит, и скорость потока на поверхности сенсора) до сих пор оставался вне поля зрения исследователей. В своей новой работе мы решили заполнить этот пробел», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Мария Комкова, кандидат химических наук, старший научный сотрудник кафедры аналитической химии химического факультета МГУ.

Уже почти десять лет на химическом факультете Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) группа профессора Аркадия Карякина занимается разработкой биосенсоров и устройств для неинвазивной диагностики. Они создали новые устройства, позволяющие одновременно измерять скорость потоотделения и концентрацию лактата в поте. Это соединение — маркер гипоксии, которая возникает при значительной физической активности, но, если продолжать в таком темпе слишком долго, может привести к ухудшению здоровья.

«Лактат является, помимо прочего, продуктом метаболизма потовых желез. Логично было бы предположить, что скорость потоотделения и скорость выделения лактата связаны: по крайней мере, для солей калия и натрия такая зависимость уже установлена», — добавляют авторы. Разработанные исследователями биосенсоры представляют собой композитную мембрану с прикрепленным к ней ферментом лактатоксидазой. Последний окисляет лактат, и при этом образуется пероксид водорода в концентрациях, пропорциональных концентрации остатка молочной кислоты. Мембраны авторы нанесли поверх катализатора на основе берлинской лазури: ее наночастицы с ферментативной активностью (нанозимы) способны селективно и с рекордной для аналогичных сенсоров точностью регистрировать пероксид водорода.

«В зависимости от используемой мембраны устройства могут применяться для измерения концентрации лактата или скорости выделения пота. Одновременный in situ контроль обоих параметров стал возможен благодаря созданным совместно с сотрудниками факультета наук о материалах МГУ нательным электроанализаторам со встроенными биосенсорами», — говорит Мария Комкова.

Именно эти устройства авторы апробировали в экспериментах с тренирующимися добровольцами. Опыты показали эффективность работы электроанализаторов в физиологических условиях, а также продемонстрировали: концентрация лактата в поте человека и скорость выделения пота — независимые параметры.

«Это значит, что изменение концентраций лактата — индикатор именно состояний гипоксии, а не функция скорости потения, и пот действительно имеет диагностическую ценность для неинвазивной диагностики в ходе физических нагрузок. Также разработка впервые позволила приблизиться к пониманию того, как влияет интенсивность потоотделения на характеристики нательных устройств в условиях переменного потока», — подводит итог Мария Комкова.