Biosensor muliggør iltovervågning i realtid for organer-på-en-chip

En ny biosensor giver forskere mulighed for at spore iltniveauer i realtid i "organ-på-en-chip"-systemer, gør det muligt at sikre, at sådanne systemer i højere grad efterligner virkelige organers funktion. Dette er vigtigt, hvis organer-på-en-chip håber at opnå deres potentiale i applikationer som lægemiddel- og toksicitetstest.

Organ-på-en-chip-konceptet har høstet betydelig opmærksomhed fra forskere i omkring et årti. Ideen er at skabe småskala, biologiske strukturer, der efterligner en specifik organfunktion, som at overføre ilt fra luften til blodbanen på samme måde, som en lunge gør. Målet er at bruge disse organer-på-en-chip - også kaldet mikrofysiologiske modeller - til at fremskynde high-throughput test for at vurdere toksicitet eller for at evaluere effektiviteten af ​​nye lægemidler.

Men mens organ-på-en-chip-forskning har gjort betydelige fremskridt i de seneste år, en hindring for brugen af ​​disse strukturer er manglen på værktøjer designet til rent faktisk at hente data fra systemet.

"For det meste, de eneste eksisterende måder at indsamle data om, hvad der sker i et organ-på-en-chip, er at udføre en bioassay, histologi, eller bruge en anden teknik, der involverer ødelæggelse af vævet, siger Michael Daniele, tilsvarende forfatter til et papir om den nye biosensor. Daniele er assisterende professor i elektroteknik ved North Carolina State University og i Joint Department of Biomedical Engineering ved NC State og University of North Carolina, Chapel Hill.

"Det, vi virkelig har brug for, er værktøjer, der giver et middel til at indsamle data i realtid uden at påvirke systemets drift, " siger Daniele. "Det ville gøre os i stand til at indsamle og analysere data løbende, og give et mere omfattende indblik i, hvad der foregår. Vores nye biosensor gør præcis det, i det mindste for iltniveauer."

Iltniveauet varierer meget på tværs af kroppen. For eksempel, hos en sund voksen, lungevæv har en iltkoncentration på omkring 15 procent, mens tarmens indre slimhinde er omkring 0 procent. Dette har betydning, fordi ilt direkte påvirker vævsfunktionen. Hvis du vil vide, hvordan et organ kommer til at opføre sig normalt, du skal opretholde "normale" iltniveauer i dit organ-på-en-chip, når du udfører eksperimenter.

"Hvad dette betyder i praksis er, at vi har brug for en måde at overvåge iltniveauer ikke kun i organ-på-en-chips umiddelbare omgivelser, men i selve organ-på-en-chips væv, " siger Daniele. "Og vi skal være i stand til at gøre det i realtid. Nu har vi en måde at gøre det på."

Nøglen til biosensoren er en fosforescerende gel, der udsender infrarødt lys efter at være blevet udsat for infrarødt lys. Tænk på det som et ekkoblink. Men forsinkelsestiden mellem, hvornår gelen udsættes for lys, og når den udsender et ekkoglimt, varierer, afhængig af mængden af ​​ilt i omgivelserne. Jo mere ilt der er, jo kortere forsinkelsestid. Disse forsinkelsestider varer kun i mikrosekunder, men ved at overvåge disse tidspunkter, forskere kan måle iltkoncentrationen ned til tiendedele af en procent.

For at biosensoren kan fungere, forskere skal inkorporere et tyndt lag af gelen i et organ-på-en-chip under dets fremstilling. Fordi infrarødt lys kan passere gennem væv, forskere kan bruge en "læser - som udsender infrarødt lys og måler ekkoglimt fra den fosforescerende gel - til at overvåge iltniveauet i vævet gentagne gange, med forsinkelsestider målt i mikrosekunder.

Forskerholdet, der udviklede biosensoren, har testet den med succes i tredimensionelle stilladser ved hjælp af humane brystepitelceller til at modellere både sundt og kræftvæv.

"Et af vores næste trin er at inkorporere biosensoren i et system, der automatisk foretager justeringer for at opretholde den ønskede iltkoncentration i organet-på-en-chippen, ", siger Daniele. "Vi håber også på at arbejde sammen med andre vævsingeniørforskere og industrien. Vi tror, ​​at vores biosensor kan være et værdifuldt instrument til at hjælpe med at fremme udviklingen af ​​organer-på-en-chip som levedygtige forskningsværktøjer."

Papiret, "Integreret phosphorescens-baseret fotonisk biosensor (iPOB) til overvågning af iltniveauer i 3D-cellekultursystemer, " er offentliggjort i tidsskriftet Biosensorer og bioelektronik .