Forskere udvikler fluorescerende sensorer til at spore næringsstoffer i hydrogel-baseret helbredelse

Det er vigtigt at vide, at ens nye celler får næring. Rice University videnskabsmænd arbejder på en måde at fortælle med sikkerhed.

Rislaboratoriet af bioingeniør Jane Grande-Allen har opfundet bløde mikropartikelsensorer til at overvåge iltniveauer i hydrogeler, der tjener som stilladser til vækst af væv.

Hydrogeler, der udvikles på Rice's Brown School of Engineering og andre steder, kan placeres på stedet for en skade. Frøet med levende celler, de fremmer væksten af ​​nye muskler, brusk eller, måske en dag, hele organer. Ideelt set hydrogelen tiltrækker blodkar, der infunderer materialet og bringer næring til cellerne.

Grande-Allen og hendes team designede deres fluorescerende partikler til at rapportere om iltniveauer inde i geler. Deres arbejde vises i tidsskriftet American Chemical Society ACS Biomaterials Science and Engineering .

"Vi har samarbejdet med efterforskere inden for intestinal mekanobiologi og ønskede en ligetil måde at fortælle, hvilket niveau af ilt vi havde gennem vores 3-D vævskulturer, " sagde Grande-Allen. "Hvor vi har til hensigt et specifikt niveau af ilt, vi vil være sikre på, at det er det, cellerne får.

"Der er flere måder at gøre dette på, " sagde hun. "Vi kan have beregningsmodeller, men vi er nødt til at gøre flere antagelser om måden oxygen gennemtrænger dyrkningsmediet og 3-D stilladsmaterialet på. En bedre måde er at måle det direkte, så det var vores mål."

Hovedforfatter Reid Wilson, en M.D./Ph.D. studerende på Rice and Baylor College of Medicine, bygget på arbejdet fra Rice-alumnen Matthew Sapp og Rice-kandidatstuderende Sergio Barrios for at udvikle bløde mikropartikler, der inkorporerer et oxygen-udløst fluorescerende molekyle baseret på palladium og en referencefluorofor.

Wilson gennemgik adskillige iterationer af farvestofkombinationer og koncentrationer for at udvikle disse mikropartikler. "Problemet med at bruge oxygen-responsive fluoroforer i tredimensionelle kulturer er, at deres signal ikke er klart nok til at måle pålideligt, " sagde han. "Så vi fyldte mikropartiklerne med høje koncentrationer af farvestof, hvilket tillod mere reproducerbare målinger af iltkoncentrationen."

Partiklerne kan suspenderes i hydrogel sammen med levende celler, og test viste, at de ikke er toksiske for disse celler. Signaler fra de fluorescerende komponenter kan aflæses ved deres individuelle bølgelængder, men deres magt ligger i at kombinere responsen fra begge, som giver klinikere mulighed for at måle iltindhold så langt som 2 millimeter ind i væv.

"Det er lille, men iltdiffusionsgrænserne er normalt små, " sagde Grande-Allen. "Nogle celler er ret tæt på en blodforsyning, med et højt iltniveau indbragt af blodceller med hæmoglobin. Men nogle bakterier i mikrobiomet er normalt anaerobe og overlever bedre uden ilt."

Grande-Allen sagde, at partiklerne ikke er modtagelige for fotoblegning (fading), når de belyses ved den rigtige bølgelængde, de sank heller ikke ud af hydrogelen, som større fluorescerende partikler var tilbøjelige til at gøre, selv efter et års opbevaring.

Hun bemærkede, at væv som brusk og visse typer syge hjerteklapper ikke har vaskulære netværk, alligevel trives deres celler. "Jeg har altid undret mig over, hvordan disse celler får næring, og hvad de har brug for for at overleve, " sagde hun. "Med iltfølende mikropartikler og andre teknikker, vi bruger i mit laboratorium til at strække levende og konstruerede materialer, vi kan begynde at arbejde hen imod at besvare disse spørgsmål."