Физики Национального исследовательского университета МИЭТ создали метод для быстрого выявления сердечной недостаточности. Неинвазивный сенсор определяет специфичные маркеры в слюне пациента менее, чем за десять минут

Ученые кафедры квантовой физики и наноэлектроники МИЭТ совместно с коллегами из сербского Института исследований и разработок информационных технологий в биосистемах разработали сенсор белка NT-proPNP. Теперь врачам для определения сердечной недостаточности у пациента вместо полного биохимического анализа крови нужна лишь слюна.

Тихий убийца

Сердечно-сосудистые заболевания остаются основной причиной смерти во всем мире. По оценкам врачей, каждый год от них умирает до 20 миллионов человек. В России, по данным Минздрава, более 40% смертей среди населения приходится именно на сердечно-сосудистые заболевания. В 2022 году общий показатель составил до 566,8 на 100 тысяч человек. При этом в последние годы заметны высокие темпы прироста смертности среди мужчин в возрасте от 18 до 40 лет.

Обширная группа сердечно-сосудистых заболеваний состоит из болезней сердца и кровеносных сосудов. По классификации Всемирной организации здравоохранения туда входят ишемическая болезнь сердца, болезни сосудов головного мозга, болезнь периферических артерий, ревмокардит, поражающий сердечную мышцу в результате ревматической атаки, врожденный порок сердца, тромбоз глубоких вен и эмболия легких. В итоге до 80% смертей происходят в результате инфаркта и инсульта, часто это преждевременная смерть у людей до 70 лет.

Основные факторы, которые указывают на повышенный риск развития болезней сердца, – нездоровое питание, низкий уровень физической активности, курение и чрезмерное употребление алкоголя. Они приводят к повышению кровяного давления, уровня глюкозы или липидов в крови, избыточному весу.

Например, при курении в кровь поступает большое количество угарного газа. Он образует с гемоглобином стойкое соединение карбоксигемоглобина, которое не участвует в транспорте кислорода. Вещество способствует формированию атеросклеротических бляшек и тромбов в кровеносных сосудах.

Научно доказано, что здоровая диета с низким потреблением соли, разнообразный рацион с овощами и фруктами, регулярная физическая активность и отсутствие вредных привычек значительно снижают риск развития сердечно-сосудистых заболеваний.

Современные факторы риска

Еще многие люди часто жалуются на недосып и повышенную утомляемость. Плохое качество сна также напрямую связано с нестабильным психологическим здоровьем и факторами риска развития сердечно-сосудистых осложнений.

Недавно ученые также выяснили, что глобальное потепление ведет к росту смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. Экстремальные температуры могут быть крайне опасны для людей с проблемами сердца и кровеносных сосудов. Исследователи сделали такие выводы на основе обширной базы данных, в которую включена статистика по 27 странам мира в период с 1979 по 2019 годы. Они сопоставили информацию с данными о температуре окружающей среды по каждому городу и объединили оценки с помощью мета-аналитической структуры.

В современном ритме жизни многие не замечают проблемы с сосудами и сердцем. Большой процент людей обращаются за помощью, лишь когда болезнь становится реальной проблемой для здоровья. Российские исследования показывают, что большинство жителей страны не контролируют основные факторы риска. 72% не знают свой уровень холестерина, 58% – уровень сахара крови, 18% – показатели артериального давления. При этом 68% россиян не занимаются спортом, а 72% ходят менее десяти тысяч шагов в день.

Беда не приходит одна

Врачи в первую очередь рекомендуют обращать внимание на гипертонию. По статистике, до 50% взрослых не подозревают о ней до визита к специалисту. Повышенное давление приводит к развитию сердечной недостаточности, стенокардии, аритмии, а также инфарктов. Тревожные признаки гипертонии – это утренние головные боли, звон в ушах, кровотечения из носа, нарушения сердечного ритма и ухудшение зрения.

Основная функция сердечной мышцы – прокачивать кровь по организму, чтобы питать кислородом все органы и ткани. Многие заболевания сердца, такие как гипертония или перенесенный инфаркт, могут привести к развитию сердечной недостаточности. Также недуг может проявиться на фоне проблем других органов.

Главный симптом развития сердечной недостаточности – одышка. Учащенное дыхание, вызванное кислородным голоданием тканей, по началу может быть практически незаметно. Но в тяжелых случаях человек почти не может двигаться. Нормальные 14-16 дыхательных движений в минуту могут вырасти вдвое из-за того, что сердце не может нормально прокачивать кровь.

Другим специфическим симптомом заболевания являются отеки. Они, как правило, возникают в ногах – на лодыжках и голенях. В тяжелых случаях могут быть отеки по всему телу. А в запущенных случаях заболевания страдают почки (которые не справляются с выведением жидкости), печень и другие внутренние органы.

Сердечная недостаточность бывает несколько типов. В первую очередь, врачи разделяют их на систолическую и диастолическую вариации. При систолической сердечной недостаточности у сердца не получается сделать полное сокращение и вытолкнуть всю кровь в сосуды. В результате часть крови постоянно остается внутри мышцы, что приводит к ее постепенному растягиванию. При этом все органы и ткани страдают от нехватки кислорода. Недуг обычно проявляется при миокардите, ишемической болезни сердца, рубцах и после перенесенного инфаркта миокарда.

При диастолической сердечной недостаточности мышца неспособна достаточно расслабиться. Поэтому с течением времени сердце набирает в себя все меньшее количество крови, чем нужно организму. Отклонение может возникать при артериальной гипертонии, амилоидозе, пороках клапанов сердца, сахарном диабете и других заболеваниях.

Также недостаточность может разделяться на правожелудочковую, когда снижается способность забирать кровь из вен, и левожелудочковую – при заборе крови из легких и прокачке ее в организм.

Правожелудочковая сердечная недостаточность приводит к расширению вен и появлению отеков. Она может развиться, например, при заболеваниях легких, таких как бронхиальная астма. При проявлении заболевания правые отделы сердца вынуждены работать с большой перегрузкой и не успевают забирать венозную кровь.

При развитии левожелудочковой недостаточности сердце плохо забирает кровь из легких и плохо прокачивает ее в организм. Тогда часть крови застаивается в легких, и появляется одышка. При этом в артериях наблюдается низкое давление, поэтому человек может падать в обмороки.

Быстрый и точный анализ

Очень важно диагностировать сердечную недостаточность на ранних стадиях. Есть вероятность, что после устранения причин возникновения болезни сердце вернется к нормальной работе. Обычно врач при подозрении на развитие недостаточности назначает ультразвуковое исследование сердца. Так можно проверить, насколько сокращается и расслабляется сердце, оценить работу клапанов, уточнить выброс крови. Дополнительно проводят биохимический анализ крови, проверяют функцию щитовидной железы.

Новый подход к выявлению сердечной недостаточности предложили ученые из Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники» (МИЭТ). Совместно с коллегами из сербского Института исследований и разработок информационных технологий в биосистемах они разработали сенсор N-концевого натрийуретического пептида про-В-типа (NT-proBNP) в слюне. Исследование проводилось при поддержке грантов Российского научного фонда.

Это один из маркеров сердечной недостаточности, который выделяется в больших количествах при сильных напряжениях в клетках миокарда и активно поступает в кровь. Его уровень в крови коррелирует с тяжестью недуга. Обычно в клинической практике тест на белок NT-proBNP входит в биохимический анализ крови при подозрении на развитие недостаточности.

Физики разработали новый метод для неинвазивной идентификации при оказании медицинской помощи, который должен в четыре раза ускорить проведение тестов на сердечную недостаточность. Основная проблема в том, что концентрация белка в слюне человека в тысячу раз ниже, чем в крови, а значит, для точного измерения его количества нужны высокочувствительные приборы.

За основу сенсора ученые взяли графен – наноматериал из одного слоя атомов углерода, который проводит электрический ток. С помощью молекулы-аптамера будущему сенсору добавили способность распознавать белок NT-proPNP. Аптамеры – это короткие последовательности нуклеиновых кислот, которые имеют схожие с антителами свойства связываться с конкретной целевой молекулой. Для надежного крепления рецептора к графену физики использовали метод фотохимической модификации на основе промежуточной «липкой» молекулы.

При достаточной концентрации NT-proPNP рецептор улавливает такое количество частиц, что электроны в них создают какой-то электрический заряд. При этом пороговое напряжение оказалось обратно пропорционально концентрации электронов: если количество заряженных частиц увеличивалась, напряжение падало.

Поэтому сенсор на основе графенового транзистора способен анализировать концентрацию NT-proBNP сразу по двум параметрам. И, в зависимости от уровня белка, в устройстве меняются проводимость и пороговое напряжение. Результаты исследования опубликованы в журнале Microchemical Journal.

«В работе мы использовали только два параметра сенсора: проводимость и пороговое напряжение. В перспективе можно увеличить их количество для большей достоверности данных, и, хотя специалисту будет трудно сопоставить их, с этим поможет справиться искусственный интеллект. Тем не менее, необходимы еще дополнительные исследования не только в теории, но и в клинической практике, чтобы установить более точную связь между содержанием белка NT-proPNP в слюне и стадией заболевания. В этом нам помогают наши сербские коллеги», – рассказала студентка второго курса магистратуры кафедры квантовой физики и наноэлектроники МИЭТ Анастасия Кудрявцева.

Исследователи протестировали разработанный сенсор на искусственной слюне, которая имеет схожий химический состав с естественными образцами. При этом искусственная слюна более показательна, поскольку ее свойства легче контролировать для проведения измерений. В итоге сенсор определил маркер белка менее, чем за десять минут.

Новый неинвазивный метод позволит на ранней стадии выявлять острую сердечную недостаточность. Отсутствие необходимости забора крови и длительного ожидания результатов особенно важно в отделениях интенсивной терапии, где от верно назначенного лечения зависит жизнь пациента. В будущем тесты слюны можно также применять в отделениях скорой помощи и на приеме у врача, чтобы быстро определять причины возникновения болезней.

Источник