Датчик усталости мышц
Исследователи научили лактатный биосенсор определять перенапряжение мышц спортсменов даже в экстремальных условиях
Ученые создали биосенсор, позволяющий определять вредное для мышц перенапряжение по содержанию лактата в поте даже в условиях экстремальной жары. В эксперименте авторам удалось показать, что концентрация вещества в крови повышается только над работающей мышцей, а значит, предложенный биосенсор действительно характеризует усталость мышц. Такая разработка позволит вовремя обнаружить гипоксию — пониженное содержание кислорода в организме спортсмена при слишком интенсивных физических нагрузках. Результаты исследования, поддержанные грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Analytical Chemistry (Daboss et al., Ultrastable Lactate Biosensor Linearly Responding in Whole Sweat for Noninvasive Monitoring of Hypoxia).
При тяжелых физических нагрузках человек тратит огромное количество энергии. Она должна быть восстановлена в будущем за счет гликолиза — окисления молекулы глюкозы до пировиноградной кислоты. В результате дальнейших процессов происходит образование и накопление лактата, который невозможно нейтрализовать из-за недостатка ресурсов и энергии у клетки. Этот процесс приводит не только к понижению эффективности тренировок, сильной усталости, но и к гипоксии — состоянию острой нехватки кислорода в отдельных органах, тканях или во всем организме человека. Оно может вызвать необратимые изменения и тяжелые патологии, именно поэтому во время интенсивных занятий необходимо измерять количество лактата в организме.
Ученые из Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (Москва) разработали новый биосенсор, с помощью которого можно определить содержание лактата в поте. Сам он изготовлен на основе берлинской лазури и гексацианоферрата никеля и встроен в проточный коллектор пота, подключенный к прибору — амперметру или потенциометру. Механизм работы системы заключается в окислении лактата с помощью фермента лактатоксидазы до пировиноградной кислоты и пероксида водорода. Последний восстанавливается берлинской лазурью до гидроксид-ионов, которые фиксируются прибором. Именно по ним и определяется исходная концентрация лактата. Этот способ не инвазивен, что делает контроль за состоянием спортсмена безопасным и комфортным. Кроме того, он позволяет рассчитать концентрацию лактата в крови чисто математически без дополнительных манипуляций.
В данной работе ученые покрывали биосенсор дополнительной иономерной мембраной, которая позволила повысить стабильность работы прибора по сравнению с предыдущей версией. Кроме того, она значительно расширила диапазон определяемых концентраций — от 0,5 до 100 мМ, тогда как физиологическое содержание лактата в поте составляет порядка 9-40 мМ, а при тяжелых тренировках может достигать 40-80 мМ. Концентрацию вещества в крови можно вычислить по формуле.
В исследовании принимали участие спортсмены в возрасте от 20 до 30 лет. До начала эксперимента потоотделение вызывали действием раствора определенного химического вещества на потовые железы — это нужно для определения начальной концентрации лактата. Далее добровольцы выполняли физические упражнения — приседания. Приборы были закреплены на работающей мышце бедра и неработающей мышце предплечья. Значения, измеренные в поте из разных мест на теле, сильно различаются, из чего можно сделать вывод, что концентрация лактата увеличивается только в активных мышцах.
Далее ученые проанализировали свойства нового биосенсора как при комнатной, так и температуре, повышенной до 60°С. На варианты, содержащие иономерную мембрану, такие изменения условий не повлияли, в то время как показатели эффективности остальных сенсоров (например, без мембран), падали при нагревании практически вдвое. Кроме того, в работе ученые впервые проанализировали неразбавленные пот и кровь: стабильность сенсора сохранялась постоянной в течение трех часов.
«В настоящее время создание различных биосенсоров является очень перспективным направлением. Инвазивные методы контроля состояния здоровья, например анализ крови, остаются самыми достоверными, однако из-за своей травматичности не позволяют отслеживать концентрацию того или иного вещества в организме человека на постоянной основе в обычной жизни. Разработанный нами высокочувствительный потовый сенсор, обладающий ранее недостижимой стабильностью, может использоваться в различных условиях для непрерывного контроля состояния спортсмена», — рассказывает Елена Дабосс, кандидат химических наук, старший научный сотрудник химического факультета МГУ.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru