Професорка біоінженерії Шаліні Прасад описує мікро- і нанопластик як складний об'єкт для вимірювання: властивості частинок залежать не лише від їхнього хімічного складу, а й від розміру, заряду, форми та середовища, в якому вони перебувають. Розроблювані біосенсорні технології, за її словами, можуть стати інструментом первинного скринінгу — але перед практичним застосуванням такі системи потребують валідації за лабораторними методами.

Шаліні Прасад, професорка і завідувачка кафедри біоінженерії Техаського університету в Далласі, працює на перетині біоінженерії, нанотехнологій і біосенсорики. У розмові з ведучим Глобального дослідницького центру «АЛЛАТРА» Джоном Аном вона пояснила, як методи сенсорного аналізу можуть застосовуватися для дослідження мікро- і нанопластику — від біологічних рідин до води та харчових матриць.

Центральним параметром у таких вимірюваннях Прасад називає розмір. Її аргумент ґрунтується на принципі відповідності масштабів: для реєстрації об'єктів молекулярного, мікро- або нанорівня вимірювальна система також повинна працювати у співставному масштабі. За такого підходу сигнал від досліджуваної частинки можна краще відокремити від фонового впливу середовища.

Однак розмір — не єдина характеристика. Прасад виділяє ще два параметри: електричний заряд і форму частинки. Заряд впливає на взаємодію об'єкта із середовищем — зокрема через електростатичні, ковалентні та ван-дер-ваальсові взаємодії. Форма, своєю чергою, пов'язана з площею поверхні та розподілом заряду. Саме тому, за її поясненням, дві частинки однакового матеріалу й приблизно однакового розміру потенційно можуть поводитися по-різному, якщо мають різну морфологію.

Як вимірюють частинки

Одним із методів, на якому зосереджується Прасад, є електрохімічна імпедансна спектроскопія. Вона описує її як метод, придатний як для лабораторних досліджень, так і для портативних систем.

У рідкому середовищі досліджувані частинки взаємодіють з електролітом. Вимірювання імпедансу в різних частотних діапазонах, за словами Прасад, дає змогу аналізувати електричні характеристики системи. Особливу увагу вона приділяє ємнісній складовій сигналу та змінам подвійного електричного шару на межі поділу фаз.

Для дослідження морфології завдання складніше. Прасад називає атомно-силову та сканувальну електронну мікроскопію, однак наголошує на їхньому обмеженні: такі методи передбачають фіксацію зразка. Аналіз форми частинок безпосередньо в рідині значно складніший. Раманівська спектроскопія, за її словами, може допомогти оцінювати агломерацію, але менш ефективна для точного визначення форми.

Найпростішими для характеристики Прасад називає сферичні частинки. Що менш симетричним є об'єкт і що сильніше змінюється його товщина вздовж осей, то складнішим стає його кількісний опис.

Коли «чиста» частинка перестає бути чистою

Окрема проблема виникає після потрапляння частинок у біологічне середовище.

За описом Прасад, у біологічних рідинах частинки контактують із білками, ліпідами, солями, іонами та клітинним матеріалом. На поверхні можуть відбуватися хімічні зміни, а навколо частинок — накопичуватися органічні компоненти. У результаті дослідник має справу вже не з ізольованою частинкою, а зі складною сумішшю органічного та неорганічного матеріалу.

Це створює методологічну проблему. Якщо органічні шари видалити під час підготовки зразка, лабораторія отримує можливість чіткіше дослідити сам полімер, але такий очищений об'єкт уже не відтворює повністю його стан у біологічному середовищі.

Прасад описує підхід, за якого очищені частинки використовують для формування бібліотеки еталонних сигналів. Потім ці дані зіставляють із вимірюваннями складніших зразків, де органічні та неорганічні компоненти присутні разом. Частотний аналіз, сегментація сигналу та методи штучного інтелекту, за її словами, можуть допомогти провести деконволюцію — тобто розділити внески різних складових у загальний сигнал.

Водночас сама дослідниця підкреслює обмеження такого підходу. Сигнал може змінюватися разом із морфологією навіть для одного й того самого матеріалу, тому бази еталонів мають враховувати різні форми частинок. Прасад характеризує нинішній підхід як значною мірою емпіричний і прямо зазначає, що технології ще не досягли бажаного рівня розвитку.

Чим пластик відрізняється від інших наноматеріалів

Пластмаси Прасад описує як полімерні матеріали з повторюваними хімічними ланцюгами. На мікро- і нанорівні особливого значення, за її словами, набуває реакційна здатність поверхні.

Саме поверхневі властивості, на її думку, роблять дослідження мікро- і нанопластику складнішим порівняно з деякими металевими, напівпровідниковими або діелектричними мікро- і наноматеріалами. Заряд полімерної частинки може бути замаскований взаємодіями із середовищем, у якому вона перебуває.

Говорячи про можливий біологічний вплив, Прасад ставить розмір вище за заряд. Вона стверджує, що нанорозмірні частинки можуть взаємодіяти з клітинними структурами та спричиняти запальну реакцію. У розмові вона також пов'язує таку взаємодію з активацією макрофагів і подальшими запальними процесами.

Ці твердження в наданому матеріалі є поясненнями самої Прасад. Розшифровка не містить посилань на клінічні або експериментальні дослідження, які дали б змогу незалежно оцінити наведені нею причинно-наслідкові зв'язки або визначити рівень доказовості тверджень про конкретні наслідки для здоров'я.

Від вимірювання до можливого втручання

Серед потенційних способів зменшення взаємодії частинок із біологічними системами Прасад називає капсулювання та пегілювання. Вона також говорить про можливість поєднання капсулювання з подальшим ферментативним розщепленням частинок.

У розмові згадуються куркума і куркумін як речовини, вплив яких у цьому контексті вивчався. Водночас Прасад не повідомляє про метод, який уже можна було б успішно застосовувати у великих масштабах. Основною перешкодою для масштабування вона називає кінетику реакцій і складність відтворення однакових умов.

Ще один описаний нею напрям — матеріали, здатні захоплювати небажані частинки в навколишньому середовищі, сприяти їхньому розщепленню, а згодом деградувати самі. Але й ці стратегії, за словами Прасад, залишаються предметом досліджень. Вона не називає жодної з них доведеним універсальним рішенням.

Біосенсори як система раннього скринінгу

Найближчу практичну перспективу біосенсорики Прасад бачить у вимірюванні.

За її словами, сенсорні системи потенційно можуть аналізувати морську воду, харчові продукти та біологічні матеріали — зокрема кров і сечу — для виявлення мікро- і нанопластику. Окремим можливим напрямом вона називає аналіз тканин, отриманих під час процедур, які проводяться з інших медичних причин.

Прасад повідомляє, що її команда створила сенсор, здатний визначати кількість частинок і розпізнавати кілька типів полімерів, серед яких вона називає поліпірол, полівінілхлорид і поліметилметакрилат.

Проте лабораторний сенсор ще не дорівнює готовому скринінговому тесту.

За запропонованою Прасад схемою, система має працювати з різними типами зразків — харчовими матрицями, водою та біологічними рідинами. Після цього концепцію необхідно перевірити в пілотному дослідженні з достатньою статистичною потужністю, а результати — зіставити з лабораторними методами.

Серед таких методів Прасад називає газову та рідинну хроматографію в поєднанні з мас-спектрометрією, піроліз із подальшою мас-спектрометрією та раманівську спектроскопію. Лише збіг результатів скринінгового тесту з лабораторним «золотим стандартом», за її логікою, дозволить говорити про технічно й науково підтверджену платформу.

Головна невідомість — масштаб

Для практичного впровадження технології, за словами Прасад, необхідно спочатку відповісти на базові питання: для кого призначений тест, наскільки масштабною є проблема і яке конкретне застосування матиме система.

Саме тому моніторинг вона ставить на перше місце.

Її модель складається з трьох етапів: спочатку потрібно навчитися достовірно вимірювати мікро- і нанопластик, потім — визначати, де необхідне втручання, і лише після цього переходити до очищення або інших практичних заходів.

Для переходу від лабораторної розробки до масового використання Прасад наголошує на необхідності партнерств між дослідниками, некомерційними організаціями та державними структурами. Масове виробництво, за її баченням, має знижувати вартість тестів, тоді як державна підтримка може зробити їх доступнішими.

Водночас надана розшифровка не містить незалежної оцінки ефективності створеного її командою сенсора, результатів його валідації, характеристик чутливості та специфічності або даних пілотного дослідження. Тому на підставі цього матеріалу неможливо визначити, наскільки близькою технологія є до практичного або клінічного застосування.

Для Прасад ця невизначеність не скасовує головного принципу технологічної роботи: лабораторна розробка має пройти перевірку за межами лабораторії.

Її підхід до проблеми мікро- і нанопластику починається не з обіцянки його усунути, а з вимірювання. Спершу, за цією логікою, необхідно встановити, що саме присутнє у зразку, в якій кількості та наскільки достовірно це можна визначити. Лише після цього сенсорна технологія може стати основою для наступного питання — що з отриманими даними робити.

Подивитись можна тут:  "HARD TO DETECT"