Биосенсор измеряет уровень усталости по составу пота

Спорт, хирургия и качество продуктов питания -- во всех этих, казалось бы, не связанных между собой областях нужно измерять концентрацию солей молочной кислоты (лактатов), которые образуются в организме как продукт бескислородного окисления. Их увеличение в крови или другой биологической жидкости говорит о том, что организму не хватает кислорода. А концентрация лактатов в продуктах может рассказать об их свежести или натуральности.

Электрохимические датчики на лактат разработаны коллективом группы биосенсоров химического факультета МГУ под руководством доктора химических наук Аркадия Карякина. Как устроены и работают сенсоры, корреспонденту Infox.ru рассказывает младший научный сотрудник кафедры химической энзимологии Анастасия Борисова.

«Чувствительным элементом служит фермент лактатоксидаза, которая окисляет лактат до пирувата и пероксида водорода. Фермент узнает лактат среди всех прочих веществ и работает именно с ним. Другой компонент биосенсора -- соль под названием берлинская лазурь (гексацианоферрат железа), которая служит катализатором электрохимического восстановления пероксида водорода. Так по количеству прореагировавшего пероксида водорода мы измеряем содержание лактата».

Химическая типография

Основу для биосенсоров -- трехэлектродные электрохимические структуры -- химики печатают здесь же, в лаборатории, при помощи обычного станка для трафаретной печати. «Все знают, что такое трафаретная печать, -- объясняет Анастасия Борисова. -- Обычно с ее помощью наносят рисунок или символику на майки, кружки и т. п. Мы же этим методом последовательно, слоями наносим на пластиковую подложку компоненты наших биосенсоров. Сначала слой серебра, потом графита, затем изолятор. И уже затем на рабочую область такой электрохимической структуры нашими уникальными способами химического синтеза и неводной энзимологии наносим берлинскую лазурь и лактатоксидазу».

Как они работают

Готовый биосенсор помещают в анализатор, где при попадании на него биологической жидкости идет электрохимическая реакция, продуцирующая электрический ток. По величине пиков этого тока ученые вычисляют концентрацию пероксида водорода, которая равна исходной концентрации лактат-аниона.

«Мы научились наносить на подложку (иммобилизовывать) фермент так, что он не теряет своих свойств в течение длительного времени, -- говорит Анастасия Борисова. -- Сенсоры можно хранить в холодильнике до нескольких месяцев и проводить на каждом до сотни измерений без потери их активности. Анализируемую биологическую жидкость не нужно предварительно обрабатывать -- ни удалять клетки, ни фильтровать, необходимо только разбавить в несколько раз. Это делает анализ быстрым и простым».

Далеко ли до порога

На основе биосенсоров на лактат химики совместно со специалистами Всероссийского НИИ физической культуры и спорта изобрели способ, как быстро и безболезненно оценить состояние спортсмена и узнать, правильно ли он тренируется.

«Когда интенсивность физических упражнений увеличивается, спортсмен переходит из аэробного энергообеспечения в анаэробный, -- рассказывает корреспонденту Infox.ru заведующий лабораторией молекулярной физиологии кандидат биологических наук Дмитрий Сахаров. -- При этом переходе в крови лавинообразно увеличивается концентрация лактата».

«Причина в том, что в организме происходит значительный сдвиг в сторону углеводного энергообеспечения, -- объясняет сотрудник Института физкультуры Роман Андреев. -- Анаэробный порог соответствует повышению уровня лактата в крови до 4 ммоль/л. В организме начинают накапливаться продукты распада». Спортсмен чувствует это как боль в мышцах.

Пот вместо крови

Традиционно для измерения уровня лактата у спортсмена берут кровь. Или из вены, или из пальца -- в любом случае во время тренировки. Это болезненно и может повлиять на результат. Для анализа нужен стационарный прибор, поэтому такие тесты невозможно проводить на сборах. Но ученые предложили вместо крови использовать пот и доказали, что в крови и поте содержание лактата меняется одинаково. Значит, спортсмена не нужно колоть и обескровливать.

Для взятия пробы используют специальный потосборник, который прикрепляют на кожу над активной мышцей. Перед этим потовую железу активируют при помощи обычного электрофореза. Таким способом удается собирать пот не с поверхности тела, а прямо из-под кожи, что делает анализ точнее.

«Порог анаэробного обмена измеряют для оценки степени выносливости, -- объясняет Роман Андреев. -- Спортсмен, который развивает большую мощность до наступления порога, обладает большей выносливостью». Иными словами, может выдержать большую нагрузку, прежде чем в его организме начнут накапливаться продукты распада.

Цель ученых состоит в том, чтобы сконструировать портативный анализатор, который мог бы следить за уровнем лактата в реальном времени. «Тогда можно оптимизировать процесс тренировки, -- говорит Роман Андреев, -- сбавлять или увеличивать интенсивность нагрузки». Такой прибор пригодится не только профессиональным спортсменам, но и обычным людям, которые постоянно занимаются в фитнес-клубах. Они смогут самостоятельно определить степень своей усталости и решить, продолжать тренировку или на сегодня хватит.

От рынка до операционной

У биосенсоров на лактат есть и другие важные применения. Они необходимы при хирургических операциях, где нужно отслеживать изменения в организме пациента, чтобы не допустить кислородного голодания. А еще с их помощью можно оценить качество любых продуктов, которые получаются путем брожения. «Это, например, квас или пиво, -- говорит Анастасия Борисова. -- Если в квасе достаточно лактата, значит он настоящий: он действительно бродил, а не получен путем добавок ароматизаторов и красителей. А вот содержание лактата в соке мяса укажет на то, что мясо долго хранилось и его несколько раз замораживали и размораживали».

Так что, возможно, когда-нибудь с портативным анализатором на лактат мы будем ходить на рынок и в магазин.