Мистецтво, що рятує життя

Любомира Протасюк, «Ваше здоров'я»

Протягом останніх 10-20 років татуювання стали надзвичайно популярними. Мотивів, якими керуються люди, що набивають на тілі візерунки та шрифти, не перелічити, і на загал вони ірраціональні. Утім, існують татуювання «за показаннями», тобто так звані медичні тату, котрі нещодавно пережили дивовижну еволюцію…

Як загартовувалося тату

Татуювання — мистецтво з тисячолітньою істо­рією. Найбільш ранні зразки «розписів по тілу» вчені виявили під час вивчення єгипетських мумій: жінки прикрашали в такий спосіб своє тіло ще в 2000-х роках до н. е. Як потім з’ясувалося, в Єгипті татуювання виконувало не тільки естетичну функцію, а й містичну: вважалося, що певні візерунки полегшують біль під час пологів. Отже, тату вже в ті часи виконували роль певної «терапії», до якої вдавалися зокрема представники доколумбових культур Перу і Чилі, а також ескімоси.

Сам термін походить від полінезійського «tatatau» або «tattau» («вдаряти», «бити»): його «підслухали» в аборигенів Таїті члени британської експедиції Джеймса Кука в 1769 році. Незабаром місцевий метод маркування шкіри став модним серед європейських моряків. Потім його запозичили шахтарі та інші представники трудового класу.

У наш час це сакральне мистецтво потрапило під владу технологій. Проте сьогодні йдеться вже не про примітивні мітки й навіть не про надписи-перестороги для медичної ідентифікації, наприклад, з групою крові та резус-фактором чи «набитим» переліком алергенів або вказівкою «Не реанімувати». Подібне «інертне» татуювання іноді використовують для координатної розмітки з метою контролю проведення променевої терапії. Сучасні тату стають дедалі активнішими і вже здатні, наприклад, транспортувати терапевтичні сполуки під час лікування шкірного лейшманіозу або здійснювати довгострокову медичну діагностику. Утім, не всі з них за своєю суттю є тату, тобто візерунком із чорнила. Наприклад, перспективна інновація, яку можна безпосередньо переносити на шкіру («ламінувати») водою, подібно до тимчасового тату, вироблена з графену. Такі графенові електронні «татуювання» придатні для вимірювання різних електрофізіологічних сигналів, включаючи температуру тіла та рівень гідратації шкіри, а також визначення електричної активності серця, м’язів і мозку. Подібно до існуючих у богемному світі тату-салонів неперманентних версій татуювань, науковці розробили своєрідну тимчасову наклейку-тату з надвисоким профілем безпеки. І дизайн її можна без перебільшень назвати геніальним.

Тимчасове рішення: тату-мікросхеми

3D-друк дедалі інтенсивніше досліджують в одній досить вузькій галузі — виготовлення чутливих матеріалів, так званих кастомізованих структур, які можна потім підлаштовувати під різноманітні потреби науковців і медиків. Звісно, якщо йдеться про друк, то потрібне чорнило, і на його роль випробовували різні субстанції, серед яких були гідрогелі, рідкокристалічні еластомери, полімери з формою пам’яті тощо.

Останніми роками вчені шукали інші, чутливіші матеріали, котрі можна було б використовувати як основу для фарб для 3D-друку: експериментально перевіряли чорнило, виготовлене з термореактивних полімерів, а також його фотосенсорний полімерний аналог. Згодом біоінженери слушно зауважили, що живі організми чутливіші, ніж будь-які синтетичні сполуки. І ось американські вчені запропонували новий клас гідрогелевих фарб із програмованими бактеріальними клітинами в ролі надчутливих компонентів, які здатні передавати й обробляти сигнали у визначений спосіб. Спеціалісти в галузі біологічної інженерії, електротехніки й інформатики з Масачусетського технологічного інституту (MIT) уже розробили та перевірили новий вид такого чорнила, виготовленого із включенням живих клітин, заздалегідь генетично перепрограмованих. Унікальна субстанція ефективно використовується в поєднанні з тривимірною технікою друку.

Стійка альтернатива

Учені з МІТ не першими звернули увагу на таку роль генно-інженерних клітин: їхні колеги вже намагалися це зробити, використовуючи живі клітини ссавців, але зазнали невдачі — такі клітини, хоч і відповідали на різні хімічні подразники, проте гинули під час друку. Річ у тім, що клітини ссавців — це переважно кульки, покриті біліпідним шаром, тому вони надто слабкі й легко розриваються. Натомість бактеріальні клітини відомі міцністю своєї стінки, здатної витримувати екст­ремальні навантаження, тому вони виживають, проштовхнувшись через сопло принтера. Крім того, бактеріальні клітини, на відміну від клітин вищих тварин, сумісні майже з усіма гідрогелевими матеріалами, переважна більшість яких виготовляється із води та полімерів. Як приємний бонус, гідрогелі можуть забезпечити бактеріям відповідне водне середовище, котре підтримує їх у «бадьорому» стані.

З метою виявити тип гідрогелю, який найкраще зберігав би бактеріальні клітини, розробники провели скринінгові тести. Після довгого пошуку оптимальним матеріалом виявився гідрогель з гіалуроновою кислотою, котрий до того ж мав ідеальну для 3D-друку консистенцію: витікаючи через сопло, він зберігав форму, наче зубна паста, вичавлена із тубуса. Клітини генетично модифікували для флуорисценції у відповідь на різні стимули. Під час змішування у суспензію гідрогелю та деяких інших поживних речовин ці клітини можуть «йти до друку». Їх наносять на різноманітні основи прошарок за прошарком — до повноцінного утворення тривимірних інтерактивних структур чи пристроїв.

Ефектна реалізація

Команда розробників продемонструвала свою техніку, надрукувавши «живе тату» — тонкий прозорий пластир з візерунками живих бактеріальних клітин у формі дерева. Кожна його «гілка» вистелена клітинами, чутливими до різних хімічних/молекулярних сполук. Коли пластир приклеюють до шкіри, яка перед тим зазнала впливу подібних сполук, починають світитися відповідні ділянки «дерева». Дослідники з MIT стверджують, що їхню технологію можна хоч зараз застосовувати для виготовлення «активних» матеріалів з подальшим нанесенням на різноманітні носії, наприклад, датчики чи інтерактивні дисплеї. На практиці такі матеріали можна використовувати з різними діагностичними цілями: для виявлення змін рН чи температури, ідентифікації екологічно небезпечних речовин тощо. Цікаво, що технологія не лише чутлива, а й специфічна: залежно від мікроорганізму та його модифікації, живе тату може світитися у відповідь на вплив певного хімікату.

Експерименти продемонстрували високу ефективність нової формули чорнил. В умовах in vivo інновація також успішно пройшла тест: дослідники нанесли декілька хімічних сполук на шкіру спини добровольця, після чого наклеїли на неї діагностичний пластир — усі бактерії адекватно зреагували на відповідні подразники.

Більше того, її автори розробили модель для прогнозу взаємодій між клітинами в межах заданої структури, що має друкуватися на 3D-принтері, та за різних умов.

Від татуювань до живих комп’ютерів

Учені з MIT також спроектували спеціальні лінії мікроорганізмів, аби вони… спілкувалися між собою. Наприклад, дослідники запрограмували деякі клітини так, щоб вони загоралися, тільки-но отримають певний сигнал від іншої клітини. Для перевірки цього типу зв’язку в моделі 3D-структури біоінженери надрукували тонкий аркуш із гідрогель-бактеріального волокна, що працював на «вхід», а потім накрили його подібним аркушем з функцією «виходу», тобто прийому сигналу.

Цей експеримент у майбутньому матиме практичне втілення — друк «живих комп’ютерів», тобто структур з кількома типами клітин, які взаємодіють одна з одною, передаючи сигнали туди й назад, наче транзистори на мікросхемі. Щодо більш реалістичних втілень технології «живих тату», то дослідники вже взялися за виготовлення індивідуальних датчиків у вигляді гнучких патчів і наклейок, які застосовуватимуться в медичній діагностиці для ідентифікації різних хімічних і молекулярних сполук. Також очікується, що ця технологія приживеться в галузі фармакології та медтехніки.