Сьогодні проблема забруднення довкілля пластиком вийшла далеко за межі звичайної кризи, пов'язаної зі сміттям. Йдеться про частинки мікро- та нанорозмірів, які проникають у ґрунт, воду, харчові продукти й зрештою потрапляють у тканини людського організму. Як виявити те, чого не видно неозброєним оком, і захистити здоров'я людини?
У межах подкасту Глобального дослідницького центру «АЛЛАТРА» ведучий Джон Ан (PhD, MBA) обговорив ці виклики з провідною експерткою у сфері біосенсорики — докторкою Шаліні Прасад.
Хто така докторка Шаліні Прасад?
Докторка Шаліні Прасад (Shalini Prasad, PhD) — провідна науковиця, професорка та завідувачка кафедри біоінженерії Техаського університету в Далласі (UT Dallas), а також співзасновниця компанії EnLiSense LLC.
Свою наукову кар'єру вона розпочала в Індії як інженерка-електротехнікиня, що спеціалізувалася на обробці сигналів. Під час навчання в докторантурі у США докторка Прасад долучилася до надзвичайно складного проєкту DARPA, присвяченого вивченню взаємодії нейронів мозку з напівпровідниковими чипами для виявлення хімічних загроз. Це міждисциплінарне дослідження на перетині мікроелектроніки, нейробіології та матеріалознавства визначило подальший напрям її наукової діяльності.
Сьогодні її лабораторія поєднує біоінженерію, нанотехнології та електрохімію, створюючи біосенсори нового покоління — від неінвазивних носимих пристроїв для моніторингу здоров'я до складних систем екологічного контролю та діагностики харчових продуктів.
Основні тези інтерв'ю: наука на варті здоров'я
Нижче наведено повний текст бесіди докторки Шаліні Прасад і Джона Ана, присвяченої фізиці наночастинок, їхньому впливу на організм людини та технологіям майбутнього.
Джон Ан: Вітаю вас і ласкаво просимо до сьогоднішнього подкасту Глобального дослідницького центру «АЛЛАТРА». Мене звати Джон Ан, я ведучий. Сьогодні я радий вітати докторку Шаліні Прасад. Докторко Прасад, для мене велика честь приймати вас сьогодні в нашій студії.
Шаліні Прасад: Навзаєм. Я також дуже рада взяти участь у цьому подкасті разом із вами, Джоне.
Джон Ан: Щиро дякую. Почнімо з вашого наукового шляху. Що свого часу зацікавило вас у біоінженерії та нанотехнологіях? І як цей початковий інтерес зрештою привів вас до тієї роботи, якою сьогодні займаєтеся ви та ваша лабораторія?
Шаліні Прасад: Спочатку я здобула освіту в галузі класичної електротехніки. Бакалаврат я закінчила в Індії, а моя спеціалізація була тісно пов'язана з виявленням та обробкою сигналів. Але коли я приїхала до Каліфорнії, щоб здобути докторський ступінь, саме тоді, якщо можна так сказати, розпочиналася нанореволюція та зароджувалася Кремнієва долина. Щоправда, я опинилася в Південній Каліфорнії, а мій науковий керівник на той час працював над проєктом DARPA Hard. Його суть полягала в тому, щоб зрозуміти, як нейрони взаємодіють між собою за допомогою напівпровідникових технологій. По суті, завдання полягало в тому, щоб навчитися визначати, чи зазнав військовослужбовець впливу нервово-паралітичних речовин, які неможливо виявити за запахом. І, відповідно, з'ясувати, як за таких умов поводитимуться нейрони його мозку.
Отже, це досить комплексне, багатовимірне завдання. Йдеться про нейромедіатори, а це нанорівень. Водночас потрібно зчитувати сигнал від них за допомогою напівпровідникового чипа, а це вже мікрорівень. Крім того, у системі є біологічні компоненти: на поверхні такого чипа фактично створюються цілі скупчення нейронів. Щоб розібратися в усіх цих рівнях завдання та зрозуміти, як вони взаємодіють між собою, мені, як інженерці-електротехнікині, довелося опановувати біологію та нейробіологію й учитися поєднувати ці знання з матеріалознавством. Тоді я зрозуміла, що для розв'язання інженерних завдань, особливо настільки складних, передусім потрібно розуміти фундаментальні наукові принципи. І в цьому сенсі нанотехнології та матеріалознавство відіграють особливо важливу роль.
Так я, власне, і прийшла в цю галузь. Згодом я почала більше зосереджуватися на її практичному застосуванні, зокрема на розробленні сенсорів. Але в основі всього й досі лежать фундаментальні знання: щоб розв'язувати подібні завдання, потрібно дуже добре розуміти базові принципи.
Джон Ан: Так, звісно. Як науковець, я також чудово це розумію: коли добре знаєш фундаментальні принципи, ці знання можна застосовувати в найрізноманітніших галузях і використовувати для розв'язання багатьох завдань. Тож я цілком із вами погоджуюся. А тепер хотів би 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 десять років здаються вам найвражаючими? І як вони змінили наші можливості досліджувати та розуміти біологічні системи?
Шаліні Прасад: Розмір має вирішальне значення. І особливо важливо, щоб масштаби відповідали один одному. Якщо ми хочемо проводити вимірювання на молекулярному рівні, нам потрібні системи співмірного розміру — тоді можна досягти дуже ефективного перетворення сигналу. По суті, це фундаментальний принцип, на якому ґрунтується весь цей напрям. Коли я почала працювати над докторською дисертацією у 2001 році, спостерігався справжній бум у створенні мікромасштабних систем, які тепер називають пристроями для діагностики безпосередньо в місці надання медичної допомоги або системами «лабораторія на чипі». Ідея полягала в тому, щоб з'ясувати, як перенести масштабні лабораторні хімічні й аналітичні процеси в мікромасштаб, використовуючи накопичені знання з проєктування напівпровідників і застосовуючи їх до цієї платформи, аби можна було одночасно вимірювати кілька параметрів.
Така платформа давала змогу одночасно вимірювати кілька показників, змішувати рідкі реагенти безпосередньо на одному чипі й дуже швидко отримувати результат. Тобто вже не потрібно було проходити весь традиційний лабораторно-клінічний процес і чекати на відповідь від одного дня до тижня. Приблизно на цьому етапі ми перебували понад двадцять років тому.
Сьогодні ж, завдяки можливості створювати нові матеріали із заданими властивостями, зокрема матеріали, здатні виконувати відразу кілька функцій, розроблення сенсорів уже не обмежується концепцією «лабораторії на чипі». Тепер ми можемо говорити про повністю неінвазивні портативні пристрої, біоморфні системи — про все, що дає змогу отримувати інформацію про поточний стан людини завдяки безпосередній взаємодії з її організмом.
Саме так почалася епоха портативних електронних технологій. Ідеться вже далеко не лише про системи безперервного моніторингу рівня глюкози — із цього все починалося. Сьогодні головне завдання — зрозуміти, як вимірювати буквально всі аспекти функціонування людського організму: біофізичні показники, біохімічні параметри, біосигнали — і об'єднувати всі ці дані в єдину систему.
І, звісно, для цього ми можемо використовувати можливості штучного інтелекту, які маємо сьогодні. 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, чи не так? Саме в цьому сьогодні полягають наше бачення та головна цінність таких технологій. Нові матеріали в поєднанні із сучасною інженерною екосистемою можуть допомогти нам розв'язати це завдання.
Джон Ан: А чи є інші властивості, настільки ж важливі, як розмір? Чи все-таки розмір є головним чинником? А як щодо заряду або форми? Чи саме розмір є найважливішим параметром для таких наноматеріалів?
Шаліні Прасад: Думаю…
Джон Ан: І чому це важливо?
Шаліні Прасад: Так, звісно. Почнімо з розміру. Уся ця ідея зводиться до узгодження розмірів, чи не так? Припустімо, ви хочете отримати якісний сигнал на тлі шуму. Під сигналом мається на увазі виявлення наявності частинки мікро- або нанорозміру за допомогою мікро- чи нанопорожнини, у якій ця частинка затримується. Коли розміри збігаються, вплив навколишнього середовища — чи то біологічних рідин, чи, скажімо, харчових матриць тощо — значно послаблюється, а шумові перешкоди в сигналі істотно зменшуються. Тоді сигнал значною мірою визначається саме взаємодією, зумовленою відповідністю розмірів. Це перший чинник.
Другий чинник, як ви слушно зауважили, — заряд. Він відіграє дуже важливу роль, оскільки саме заряд визначає характер взаємодії досліджуваної або вимірюваної молекули чи частинки із системою речовин, у якій проводяться вимірювання. Це можуть бути електростатичні або ковалентні взаємодії, які вже мають постійний характер. У такому разі зв'язок стає повним, і вивільнити частинку знову вже неможливо. Тому систему проєктують з одним вимірювальним датчиком. Крім того, можуть виникати ван дер ваальсові взаємодії. Вони відносно слабкі, але їх усе одно достатньо, щоб отримати сигнал. Отже, другий важливий чинник — заряд.
І, нарешті, третій чинник — форма. На мою думку, дуже наочний приклад тут дає біологія. Візьмімо білок. Він має не лише первинну та вторинну структури — зрештою він згортається в третинну структуру. Ефективність роботи білка значною мірою залежить саме від цієї третинної структури.
Якщо вилучити білок з організму й помістити, наприклад, на покривне скло, де він розгорнеться, то він утратить свої властивості й уже не зможе функціонувати так само, як в організмі. Тому збереження конформації, тобто форми, має вирішальне значення для збереження функціональності.
А тепер перенесімо цей принцип на частинки. Вплив сферичних частинок на біологічні системи, імовірно, буде значно слабшим, ніж вплив частинок із більшою площею поверхні. До того ж на цій збільшеній поверхні буде розподілено електричний заряд. Тому, наприклад, частинка у формі квасолини потенційно може мати набагато вираженіший негативний вплив, ніж сферична частинка.
Якщо ж розглядати це як функцію часу та 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. Отже, розмір, заряд і форма — це три чинники, які необхідно враховувати під час розроблення систем для вимірювання, особливо якщо йдеться про дуже малі об'єкти.
Джон Ан: А як найкраще вимірювати й характеризувати ці параметри? Із зарядом загалом усе більш-менш зрозуміло. Можна, наприклад, виміряти сумарний заряд або дзета-потенціал — це одне. Але що робити, якщо заряд неоднорідний або нерівномірно розподілений по поверхні? Це ж уже досить складне завдання, чи не так?
І друге запитання стосується морфології. Чи потрібно використовувати якийсь мікроскоп, щоб визначити: ця частинка видовжена, ця сферична, а ця має іншу форму? Якими методами найкраще характеризувати заряд і морфологію? І чи існують сьогодні справді ефективні сучасні методи для розв'язання цього завдання?
Шаліні Прасад: Можливості вимірювання цих параметрів у лабораторії, звісно, відрізняються від вимог до портативної системи або приладу, який можна використовувати безпосередньо в польових умовах.
Почнімо із заряду. Існує багато методів, але електрохімічні методи особливо зручні, оскільки їх можна застосовувати як для лабораторних вимірювань, так і в портативних приладах або пристроях для польових досліджень.
Один із найефективніших методів — електрохімічна імпедансна спектроскопія. Що вона дає? Вона дає змогу характеризувати як заряджені, так і незаряджені частинки. Що я маю на увазі? Візьмімо, наприклад, полімерну систему. Поверхня багатьох полімерів має негативний або позитивний заряд. Але є й такі полімери, які відносно незаряджені. Проте всі вони мають діелектричні властивості, оскільки полімерний матеріал здатний накопичувати заряд, хай навіть дуже незначною мірою. Це схоже на «діелектрик, що протікає», але така властивість усе ж наявна. Отже, під час електрохімічної імпедансної спектроскопії використовують частинки, що перебувають у певному буферному розчині, біологічній рідині або іншому рідкому середовищі.
Ця рідина стає електролітом, а заряд електроліту слугує базовим зарядом. Таким чином, явище можна охарактеризувати, скануючи діапазон частот — від низьких, які можуть становити від мілігерців, до мегагерців. Вплив дрібних частинок, зафіксованих у рідині або зважених у ній, значною мірою проявлятиметься на низьких частотах. Отже, цей ефект спостерігатиметься в діапазоні частот нижче приблизно п'яти кілогерців, найімовірніше — в діапазоні герцових частот. Як його можна побачити? Його спостерігають у так званій ємності подвійного електричного шару.
Фактично ця частинка модулює подвійний шар, подібно до того, як під час вимірювання дзета-потенціалу подвійний шар утворюється на міжфазній межі частинки. Це можна виміряти. Однак замість використання приладу для вимірювання дзета-потенціалу — зетасайзера — вимірювання проводять безпосередньо в розчині за допомогою поверхні електрода, який виконує роль сенсора.
Отже, характеристика заряду — великого чи малого — перетворюється на вимірювання імпедансу. Потім це вимірювання імпедансу спрощують, розкладаючи його на дійсну та уявну складові. Уявна складова містить ємнісний опір, а цю ємність можна зіставити із зарядом досліджуваного об'єкта або встановити між ними кореляцію.
Частота, на якій проявляється цей ефект, залежатиме від типу діелектрика. А тип діелектрика, своєю чергою, тісно пов'язаний із тим, який саме полімер досліджують. Тобто за допомогою електрохімічної імпедансної спектроскопії можна фактично одночасно характеризувати низку полімерів із різною молекулярною масою.
Другий складник — морфологія. Для її дослідження, звісно, можна використовувати атомно-силову мікроскопію, яка дає змогу охарактеризувати рельєф поверхні, а також сканувальну електронну мікроскопію. Але всі ці методи потребують фіксації зразка. І якщо ви хочете охарактеризувати щось безпосередньо в рідині, тут і починаються труднощі. У таких випадках зазвичай доводиться порівнювати рідкі системи з частинками та без них, а потім намагатися виокремити форму цих об'єктів, що надзвичайно складно. Тому для таких цілей доводиться застосовувати атомно-силову мікроскопію (АСМ) або сканувальну електронну мікроскопію (СЕМ). Іноді також використовують раманівську спектроскопію, щоб оцінити агломерацію частинок, але цей метод менш ефективний для визначення їхньої точної форми. Ось, власне, основні методи аналізу морфології та заряду.
Джон Ан: Щодо морфології: які форми найскладніше охарактеризувати? Наприклад, сферичні частинки досліджувати простіше, ніж видовжені? Чи це залежить від інших чинників і сама форма не така вже й важлива?
Шаліні Прасад: Сферичні частинки, безумовно, досліджувати найпростіше. За будь-якої технології візуалізації зображення намагаються математично обробити так, щоб об'єкт мав якомога більш сферичний вигляд, чи не так? Тобто все намагаються звести до цієї системи. Будь-яку несиметричну форму охарактеризувати складно. Симетричні форми досліджувати трохи легше — наприклад, об'єкти еліптичної форми. Але найскладніше тоді, коли симетрія повністю відсутня або коли товщина частинки змінюється вздовж поперечної чи головної осі під час аналізу її розподілу. Саме тому зрештою доводиться вдаватися до лабораторних методів, які передбачають фіксацію зразка та повторне визначення його характеристик.
Джон Ан: Зрозуміло. Отже, ми поговорили про розмір, заряд і морфологію частинок. Але будь-які мікро- та наночастинки зрештою потрапляють у певне середовище, наприклад у біологічні рідини. Опинившись там, вони починають вкриватися різними речовинами: білками, ліпідами, можливо, металами — загалом усім, що є в цьому середовищі. Чи могли б ви описати, як відбувається така трансформація? І наскільки вона ускладнює аналіз цих зразків та прогнозування поведінки частинок?
Шаліні Прасад: Як ми вже говорили на початку, частинки мають електричний заряд. А тепер уявімо, що така частинка потрапляє в біологічну рідину, яка містить іони, білки, клітинні залишки та інші компоненти — залежно від конкретного середовища. Якщо йдеться, наприклад, про біологічну рідину, вже взяту з організму, то істотно впливатимуть на частинку білки, ліпіди та солі. Це призводить одразу до кількох процесів.
По-перше, на поверхні частинки відбуваються хімічні реакції. Унаслідок цього частинка може тією чи іншою мірою руйнуватися або зазнавати ерозії під впливом кислотно-основного середовища. Імовірно, рідина матиме кислий характер, тому між нею та частинкою відбуватиметься хімічна взаємодія.
По-друге, унаслідок цих процесів збільшується площа поверхні частинки. Тоді білки, що містяться в рідині, починають накопичуватися на її поверхні та агломеруватися. Зрештою утворюється своєрідна матриця, у якій частинки оточені й буквально вбудовані у велику кількість білкового матеріалу. Виникає досить щільна, в'язка маса.
І якщо потрібно визначити, скільки частинок міститься в певному об'ємі такого середовища, завдання стає надзвичайно складним. Тобто проблема ускладнюється в багато разів. Щоб охарактеризувати частинки, спочатку доводиться зруйнувати матрицю, що утворилася навколо них, а вже потім виокремлювати й аналізувати потрібний сигнал. Що довше частинки перебувають у рідині, то довше тривають ці реакції й то активніше формуються агломеровані поверхні.
Зрештою аналіз ускладнюється ще й тим, що ми маємо справу із сумішшю органічних і неорганічних компонентів. Методи дослідження органічних і неорганічних матеріалів відрізняються. Тому доводиться попередньо готувати зразок. Наприклад, можна використати кислотне розкладання, щоб розщепити цю масу, потім виокремити неорганічний матеріал і вже після цього дослідити його за допомогою імпедансної спектроскопії або іншого методу, що дає змогу визначити як концентрацію, так і розмір частинок.
Джон Ан: Але хіба це певною мірою не ускладнює аналіз? У реальних умовах наночастинки вкриваються еко- та біокоронами й певним чином взаємодіють із клітинами та мембранами. Але під час аналізу всі ці оболонки доводиться видаляти, і зрештою досліджують, по суті, «голі», чисті частинки. Як біологові враховувати все це? Адже хочеться досліджувати частинку в її природному оточенні, але водночас потрібно проаналізувати її неорганічну частину, а для цього доводиться видаляти всю корону. Як урахувати всі ці… Не впевнений, що слово «відмінності» тут доречне, але після видалення корони частинка, яку ми аналізуємо, уже відрізняється від тієї, що насправді перебуває в навколишньому середовищі. Як це врахувати?
Шаліні Прасад: Так. Тут діє той самий принцип, що й у разі макромолекулярного краудингу — ефекту високої концентрації макромолекул в обмеженому просторі. Саме цей принцип лежить в основі подібних досліджень. І тут ми повертаємося до початкового біологічного завдання.
Якщо ви хочете охарактеризувати білок у його нативній, тобто природній, формі, потрібно знайти спосіб досліджувати його безпосередньо in situ, щоб він зберігав свою природну конформацію. Якщо ж вилучити білок і досліджувати його в системі ex vivo, він, по суті, втрачає свою третинну структуру, унаслідок 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 й тут потрібно вибрати спектроскопічний метод, оскільки саме він дає змогу за допомогою частот розділити складники сигналу, пов'язані з органічним і неорганічним матеріалом.
Якщо попередньо підготувати зразок у лабораторії, то під час подальшого аналізу, як ви слушно зауважили, можна отримати чітко виокремлений сигнал від неорганічного матеріалу — у цьому разі від полімерних частинок.
Водночас ми отримуємо сигнал від усієї органічної складової. Його можна розглядати як бібліотеку еталонів. Потім ми повертаємося до самого зразка, у якому органічні й неорганічні компоненти присутні разом, утворюють біокорони та взаємодіють між собою. Унаслідок цього виникають великі міцели, у яких усе це об'єднано.
Тут важливо, з якою швидкістю під час аналізу цього композиту здійснюється розгортка за частотою, зокрема наскільки повільно вона відбувається. Отриманий у такий спосіб сигнал можна обробити за допомогою сегментації сигналу та методів штучного інтелекту, щоб виокремити складники, пов'язані з органічним і неорганічним матеріалом.
Далі можна визначити, які складники сигналу пов'язані з конкретним полімером — наприклад, ПВХ, поліпіролом тощо. Адже якщо орієнтуватися лише на заряд, тобто на постійну складову сигналу (компоненту DC), усі ці матеріали матимуть або негативний, або позитивний заряд — залежно від того, що саме досліджують.
Тому сам по собі заряд тут малоінформативний. Натомість діелектричні властивості можуть надати необхідну інформацію, однак сигнал від них маскуватиметься присутністю органічного матеріалу.
Саме так і здійснюється деконволюція сигналу. Цей принцип деконволюції дуже подібний до того, який використовують в інфрачервоній спектроскопії з перетворенням Фур'є. У цьому разі досліджувану молекулу поляризують, а потім визначають, що це за молекула. Тут застосовують той самий підхід, але він дає змогу розрізняти органічний і неорганічний матеріал. Саме так його можна застосовувати в польових умовах.
Однак у лабораторії для створення бази даних доводиться діяти саме так: повністю видаляти всі зовнішні шари й досліджувати частинку. Водночас сам по собі такий сигнал не дає повної картини. Річ у тім, що сигнал змінюється разом зі зміною морфології того самого матеріалу.
Тому необхідно досліджувати матеріал за різних варіантів його морфології. Так, цей підхід значною мірою ґрунтується на емпіричних даних. І так, ми ще не досягли того рівня, до якого прагнемо. Але якщо зважити на те, що раніше ми взагалі нічого не мали, то приблизно такою є нинішня ситуація.
Саме тому мене дуже надихає те, що відбувається в цій галузі. Нині вона, мабуть, викликає особливо великий інтерес, оскільки останнім часом увага до цієї теми значно зросла — зокрема до питання про те, як усе це впливає на наше фізичне здоров'я. Саме тому тепер ресурси спрямовують на розв'язання цих проблем.
Джон Ан: Зрозуміло. Тобто ви повністю очищуєте частинку, проводите вимірювання й отримуєте своєрідний еталон. Потім вимірюєте менш очищений зразок і аналізуєте результати. Саме це ви маєте на увазі під деконволюцією сигналу, так?
Шаліні Прасад: Саме так. Усе правильно. Так.
Джон Ан: Зрозуміло. Чудово. Тепер поговорімо про це докладніше. Ми вже загалом обговорили наноматеріали, а тепер перейдемо безпосередньо до мікро- та нанопластику. Чим мікро- та нанопластик відрізняється від мікро- й наноматеріалів загалом? У чому особливість саме мікро- та нанопластику?
Шаліні Прасад: Пластмаси — це передусім полімерні матеріали, утворені повторюваними хімічними ланцюгами. У таких масштабах їхня активність стає суттєвим чинником, а особливо важливу роль відіграє реакційна здатність поверхні. Частинка іншого матеріалу мікро- або нанорозміру може мати такий самий розмір, як частинка мікро- чи нанопластику. Проте саме поверхнева активність і властивості поверхні пластику, по суті, визначають його вплив на біологічні процеси.
На мою думку, у цьому й полягає ключова відмінність: досліджувати мікро- та нанопластик набагато складніше, ніж мікро- й наноматеріали, які можуть бути металевими, напівпровідниковими або суто діелектричними. У цьому разі ми маємо справу переважно з квазидіелектричними системами. У таких діелектричних системах із певною провідністю є заряд, однак його прояв значною мірою маскується взаємодією частинки з тим середовищем, у якому вона перебуває.
Джон Ан: Припустімо, що мікро- та нанопластик якимось дивом узагалі не має заряду, тобто проблема із зарядом зникає. Чи можна тоді вважати, що мікро- та нанопластик нетоксичний? Якби він не мав цих діелектричних властивостей, чи було б це так? Зрозуміло, що ні, але суто теоретично…
Шаліні Прасад: Я розумію, чому ви ставите запитання саме так, і ви цілком маєте рацію. Саме розмір частинок насамперед визначає їхню здатність вступати в різні реакції. При цьому не має значення, чи є в частинки заряд. Уже сам факт перебування частинки в цьому діапазоні розмірів дає їй змогу взаємодіяти з біологічним матеріалом, а це спричиняє запальну реакцію.
Завдяки нанорозмірам частинка здатна проникати крізь ліпідний бішар клітин або взаємодіяти з ним. У відповідь запальний процес активує макрофаги, після чого запускається процес фібриногенезу. Унаслідок цього навколо таких частинок утворюються фібринові структури, що ще більше посилює запалення. Якщо уявити, що частинки потрапили всередину організму непомітно для людини, вони спричинять виражене запалення шлунково-кишкового тракту. Це може призвести як до відносно легких розладів, наприклад синдрому подразненого кишечника, так і до тяжких запальних захворювань кишечника.
Те, як саме частинки впливають на слизову оболонку шлунково-кишкового тракту, залежить від тривалості їхнього перебування там. По суті, вони призводять до інкапсуляції та спричиняють відшарування слизової оболонки. А слизова оболонка кишечника виконує надзвичайно важливу захисну функцію, адже саме вона захищає шлунково-кишковий тракт. Коли цей бар'єр руйнується, в організмі починається тривале хронічне запалення. Отже, визначальним чинником є розмір частинок, тоді як заряд відіграє другорядну роль. Саме розмір частинок та їхня здатність спричиняти запальну реакцію мають ключове значення для їхнього впливу на організм людини.
Джон Ан: 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 досить складно. Тому в мене таке запитання: як ви вже сказали, розмір відіграє дуже важливу роль, а другим чинником є заряд. Якби вдалося в якийсь спосіб нейтралізувати або зменшити цей заряд, чи допомогло б це послабити вплив на організм? І друге запитання: чи можна зменшити заряд у великих масштабах? Отже, маю два запитання.
Шаліні Прасад: Безумовно. Одним із можливих підходів могла б стати розробка методів капсулювання таких частинок, які можна застосовувати у великих масштабах. Капсулювання дало б змогу нейтралізувати вплив цих частинок на більші системи та зменшити ймовірність розвитку запальної реакції.
Тут можна використовувати підходи, подібні до тих, що застосовуються для капсулювання лікарських препаратів під час їхнього адресного доставлення. Тобто йдеться про певну форму ізоляції. Крім того, можна застосовувати пегілювання, поліетиленгліколь та інші подібні методи.
Однак проблема полягає в тому, що ми не знаємо, звідки саме беруться ці частинки, тому складно виробити єдиний підхід до їхнього усунення. І ця проблема залишається невирішеною. Друге запитання — чи можна їх розщепити. Наприклад, спочатку можна застосувати капсулювання, а потім запустити процес розщеплення, зокрема ферментативного розщеплення цих структур. Таким чином, їх можна зруйнувати, щоб вони більше не могли спричиняти запальну реакцію. Наприклад, досліджували вплив куркуми або куркуміну, а також інших речовин, які, можливо, здатні запускати деякі з цих реакцій за допомогою природних, стійких та органічних методів. Проте жоден із них поки що не вдалося успішно застосувати у великих масштабах. Причин багато, але основна проблема пов'язана з кінетикою реакцій: під час масштабування важко забезпечити умови, необхідні для того, щоб реакція щоразу відбувалася однаково. Тож тут іще належить знайти рішення.
Інший підхід, який зараз досліджують, — створення нешкідливих матеріалів, які можна було б поміщати в океан і які з часом розкладалися б. Вони могли б діяти на кшталт рибальської сітки: захоплювати шкідливі частинки, притягувати їх до себе та розщеплювати. Після цього матеріал, по суті, перерозподіляється, тобто нейтралізується. Усі ці стратегії нині ще перебувають на стадії дослідження. Наскільки нам відомо, поки що жодна з них не дала таких результатів, щоб можна було сказати: ось шлях, яким слід рухатися далі. Принаймні саме на такому етапі зараз перебуває ця галузь досліджень.
Джон Ан: Якщо говорити про майбутнє, то, з огляду на вашу спеціалізацію в галузі біосенсорики та діагностики, де ви бачите найбільші перспективи застосування цих технологій у роботі з мікро- та нанопластиком, особливо у складних біологічних системах і довкіллі?
Шаліні Прасад: На мою думку, біосенсори можна застосовувати як поза організмом, так і всередині нього. Водночас робота поза організмом, імовірно, є простішим підходом. Ми безумовно можемо використовувати різні методи аналізу — чи то для дослідження океанічної води, чи то біологічних рідин. Наприклад, можна досліджувати зразки сечі, крові та інші біоматеріали, визначаючи наявність у них мікро- й нанопластику. Це дасть змогу принаймні отримати первинну оцінку.
Насамперед необхідно встановити вихідний рівень: якої дози мікро- та нанопластику зазнає людина? Сьогодні це питання зовсім не вивчене й залишається без відповіді.
Саме тут відкривається перша можливість застосування біосенсорних систем. По суті, йдеться про моніторинг: необхідно визначити, скільки мікро- та нанопластику є в зразку і що це за частинки.
І, звісно, можна очікувати, що такі біосенсорні системи будуть особливо корисними для людей, які зазнають впливу мікро- та нанопластику з довкілля або живуть у районах, де утворюється більше таких частинок.
Тепер розгляньмо другий аспект цього питання. Можливо, накопичення частинок не настільки значне, щоб вони виводилися з біологічними рідинами, проте вони цілком можуть бути присутніми в тканинах. А біопсії проводять постійно. Люди регулярно проходять ті самі колоноскопії. І якщо поряд зі звичайними дослідженнями, наприклад скринінгом на рак, проводити біосенсорний аналіз тканин, щоб визначити, чи є в них мікро- та нанопластик, це дасть змогу оцінити його наявність у тканинах.
Друге запитання: що можна зробити, коли ми вже встановили, що мікро- та нанопластик присутній? Найважливіше, що можна зробити для людини, — зменшити запальну реакцію. Один із підходів полягає саме в цьому. Для зменшення запальної реакції використовують різні добавки, наприклад добавки з куркуміном та інші подібні засоби. Але це вже належить до сфери функціональної медицини й, по суті, нічого не лікує. Це радше підхід, спрямований на виявлення порушень, якщо можна так висловитися.
Якщо ж говорити про довкілля, то аналіз проб морської води або повітря дає змогу визначити певну концентрацію конкретних частинок. Далі постає питання: які методи очищення можна застосувати? Уже розроблено ферментативні методи очищення, які можна використовувати, наприклад, для очищення морської води. Однак поки що такі методи можна застосовувати лише локально й 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 потрібно розробляти дешевші й високоефективні методи.
Це дало б змогу цілеспрямованіше використовувати наявні ресурси — приблизно так само, як під час пандемії COVID-19, коли потрібно було вирішувати, як розподілити обмежені медичні ресурси з урахуванням поширеності або частоти випадків захворювання. Той самий принцип можна застосувати й тут: залежно від того, наскільки поширений мікро- та нанопластик або як часто його виявляють, можна цілеспрямовано застосовувати ті чи інші наявні методи очищення.
Саме такі можливості відкривають сенсорні технології. Головне, що вони вже сьогодні дають змогу робити, — виявляти не лише заряджені частинки. Як я вже казала, ми можемо виявляти й незаряджені частинки. І, на мою думку, це одна з ключових можливостей сучасних сенсорних платформ.
Джон Ан: Схоже, у нас є багато хороших ідей, але вони можуть так і залишитися в лабораторіях або не отримати подальшого розвитку. Що потрібно зробити, щоб вивести ці перспективні технології на ринок? Ви маєте досвід підприємницької діяльності. Як ви вважаєте, що необхідно, аби ці технології справді вийшли на ринок?
Шаліні Прасад: Насамперед потрібно зрозуміти, для кого це призначено, яким є масштаб проблеми та яке практичне застосування матиме технологія. Ми створили сенсор для виявлення мікро- та нанопластику, який здатний визначати кількість наявних частинок і розпізнавати певні їхні типи — наприклад, поліпірол, полівінілхлорид, поліметилметакрилат та інші, загалом три-чотири типи. І тоді постає запитання: як розробити скринінговий тест? Адже саме в цьому й полягає цінність цієї технології.
Скринінговий тест має підходити не лише для обстеження людини, а й для аналізу довкілля та харчових продуктів. Це означає, що потрібно розробити тест, здатний працювати з харчовими матрицями, водою та біологічними рідинами.
Після цього, звісно, необхідно підтвердити концепцію в межах пілотного дослідження. Таке дослідження має мати достатню статистичну потужність і наочно демонструвати практичну користь цього підходу.
У галузі аналізу забруднювачів харчових продуктів ми вже досягли значного поступу й розуміємо, як їх досліджувати. Далі методику потрібно обґрунтувати. Для цього використовують спектроскопічні стандартні методи — ГХ-МС (газову хроматографію — мас-спектрометрію) та РХ-МС (рідинну хроматографію — мас-спектрометрію), піроліз із подальшою мас-спектрометрією, а також раманівську спектроскопію.
Необхідно підтвердити, що результати скринінгового тесту збігаються з даними лабораторного золотого стандарту. Лише після цього ми отримуємо платформу, підтверджену з технічного й наукового погляду.
Далі постає питання практичного впровадження, і тут ключову роль відіграє партнерство. Особливо важлива участь некомерційних організацій, які працюють у цій галузі. Саме тому я вбачаю велику цінність у відкритому висвітленні цієї технології. Тоді дослідники з усього світу зможуть узяти її на озброєння та довести, що вона працює в глобальному масштабі, а не лише в одному регіоні.
Потім, звісно, виникає питання: як забезпечити комерційну привабливість? Якщо залучати виключно венчурний капітал, вартість тесту неминуче зростатиме через потребу окупити інвестиції. Тому державна підтримка тут має вирішальне значення: вона дасть змогу знизити собівартість тестування. Саме так було під час пандемії COVID-19: доступні масові експрес-тести з'явилися завдяки тому, що уряди різних країн інвестували кошти в зниження їхньої вартості.
Це глобальна проблема. Морські води й повітря не знають кордонів. Тому, на мою думку, наше завдання — створити такі тести, вартість яких знижуватиметься зі збільшенням обсягів виробництва до мільйонів одиниць, а потім за допомогою державної підтримки зробити їх широко доступними. Адже йдеться 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, то, на мою думку, саме це дасть змогу досягти реального поступу. По-перше, необхідний моніторинг. Спочатку потрібно зрозуміти, що саме ми вимірюємо, потім провести вимірювання й переконатися, що вимірюємо саме те, що потрібно. Адже лише отримавши достовірні результати вимірювань, можна переходити до наступних етапів — очищення, усунення забруднення та інших практичних заходів.
Отже, це процес із трьох етапів. Я розробляю технології для першого етапу, але мені потрібно співпрацювати з тими, хто може займатися й наступними етапами. Саме так я бачу можливість перетворити лабораторну ідею на технологію, яка приноситиме реальну користь суспільству.
Джон Ан: Щиро дякую, що поділилися цим із нами. У нас вийшла чудова бесіда. І на завершення я хотів би запитати: чи є головна думка, яку ви хотіли б донести до наших слухачів? Якби потрібно було сформулювати одне послання, яким би воно було?
Шаліні Прасад: Для будь-якої ідеї, що виникла в лабораторії, дуже важливо якомога раніше перевірити її та зрозуміти, чи має вона перспективи в довгостроковій перспективі. Це буде спринт чи марафон? Будь-яка вдала ідея, що народилася в лабораторії, може привести до наукової публікації, але сама публікація не приносить користі суспільству, якщо технологію не вивести за межі лабораторії та не застосувати в найрізноманітніших умовах.
Тому важливо швидко перевіряти гіпотези на міцність і знаходити партнерів. Якою б перспективною не була ідея, що виникла в лабораторії, потрібно знайти відповідних партнерів, щоб упровадити її на практиці й оцінити масштаб її впливу. Створюючи будь-яку технологію, я сподіваюся знайти саме таких партнерів, які допоможуть зрозуміти, яку найбільшу користь вона здатна принести суспільству.
Тому моє послання кожному: не зосереджуйтеся лише на тому, щоб змусити технологію працювати в лабораторії. Потрібно думати й про те, як вивести її за межі лабораторії. Особисто я керуюся саме цим принципом.
Джон Ан: Щиро дякую. Це дуже слушна думка. І дякую, що поділилися всіма цими цінними висновками з нашою аудиторією. Я щиро вдячний вам за те, що ви завітали до нас і поділилися своїми знаннями. Ви справді допомогли нам глибше зрозуміти, як розвиток біосенсорних технологій дає змогу досліджувати як біологічні процеси в нашому організмі, так і нові виклики, зокрема мікро- та нанопластик. Ще раз дякую, докторко Прасад. І дякуємо нашим слухачам за увагу! Якщо ви хочете докладніше дізнатися про роботу докторки Прасад або глибше дослідити тему мікро- та нанопластику, усю інформацію та посилання знайдете в описі нижче. Ще раз дякуємо, що були з нами, і до нових зустрічей!
