Многопрофильная команда исследователей из Университета Иллинойса разработала крошечные датчики для измерения транспорта кислорода в легких. Исследование показывает, как меняется кислородный поток при легочных заболеваниях. Результаты исследования опубликованы в журнале «Nature Communications».
Как устроены и работают легкие
Лёгкие – парные органы, которые находятся в грудной клетке и состоят из крупных элементов – долей и мелких – альвеол. В них происходит газообмен: кровь отдаёт углекислый газ, который затем выдыхается и вбирает вдыхаемый кислород.
Газообмен в лёгких обеспечивает два вида сосудов:
- Артерии, содержащие ярко-красную кровь, богатую кислородом. Их задача после кислородного обогащения нести кровь к тканям и органам.
- Вены, содержащие темную кровь, в которой мало кислорода, но много углекислого газа и других вредных газообразных продуктов.
Для лучшего газообмена артерии и вены легких делятся на мелкие сосудики, вплотную примыкающие к альвеолам, богатым кислородом. В результате газообмена кровь отдает углекислый газ и вбирает кислород.
Ученые использовали лёгкие быка
Газообмен происходит через мембраны, отделяющие альвеолы, наполненные воздухом, от сосудов. Однако механизм изъятия из крови углекислого газа и впитывания в неё кислорода при лёгочных заболеваниях плохо изучен. Для этого и было проведено исследование.
Оказалось, что газообмен происходит за счёт поверхностно-активных веществ, которые изменяют натяжение мембран, давая проходить газам. Изучение этого процесса позволит пролить свет на механизмы, вызывающие нарушения, возникающие при пневмонии, бронхиальной астме и других легочных заболеваниях.
Для исследования легочного газообмена использовались датчики, представляющие собой тонкие пленки на основе кремния и графена. В их состав входят крошечные транзисторы, измеряющие проникновение кислорода между биологическими поверхностями.
Тонкая пленка мембран легких распределяется по многим крошечным датчикам на поверхности устройства, что дает возможность изучить процессы, происходящие на относительно большой площади, а не на одном месте.
Команда использовала датчики для сравнения переноса кислорода между здоровыми и больными мембранами. Для этого часть мембран покрыли кардиолипином – веществом, вырабатываемым при легочных заболеваниях, в частности, при пневмонии. Оказалось, что через ткани с повышенным содержанием кардиолипина проходит больше кислорода, что вызывает его дисбаланс в крови. Хотя увеличение кислородного потока можно воспринимать как положительное явление, его чрезмерное поступление отрицательно влияет на организм.
Исследователи также сравнили структуру здоровой и больной ткани с помощью микроскопа и рентгенографии. Они обнаружили, что в мембранах с кардиолипином имеются повреждения, которые ответственны за повышенный перенос кислорода и дисбаланс уровня газов в крови больных легочными патологиями.
Следующим этапом этого исследования будет изучение мембран легких, которое даст дополнительную информацию о газообмене. Исследования позволят разработать лекарства, которые будут увеличивать или уменьшать поступление кислорода из легких в кровь. Возможно, научные разработки даже откроют новую эру в производстве лекарственных препаратов для лечения болезней органов дыхания.
