Sporing af laboratoriedyrket væv med lys

En skønne dag, læger vil gerne dyrke lemmer og andet kropsvæv til soldater, der har mistet armene i kamp, børn, der har brug for et nyt hjerte eller lever, og mange andre mennesker med kritiske behov. I dag, læger kan transplantere celler fra en patient, læg dem på et vævsstillads, og indsæt stilladset i kroppen for at fremme væksten af ​​knogler, brusk og andet specialiseret væv. Men forskere arbejder stadig på at bygge komplekse organer, der kan implanteres i patienter.

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) støtter dette forskningsfelt ved at udvikle en lovende ny slags lys-baseret sensor til at studere vævsvækst i laboratoriet.

NIST-teamets proof-of-concept arbejde, udgivet i dag i Sensorer og aktuatorer B , demonstrerer en lille sensor, der bruger et lysbaseret signal til at måle pH, måleenheden for surhedsgrad, en vigtig egenskab i cellevækstundersøgelser. Det samme grundlæggende design kan bruges til at måle andre kvaliteter såsom tilstedeværelsen af ​​calcium, cellevækstfaktor og visse antistoffer.

I modsætning til konventionelle sensorer, denne målemetode kunne bruges til at overvåge miljøet i en cellekultur på lang sigt-i uger ad gangen-uden at skulle forstyrre cellerne regelmæssigt for at kalibrere sanseinstrumenterne. Se vævets egenskaber i realtid, mens de langsomt ændrer sig, over dage eller uger, kunne i høj grad gavne vævsingeniørstudier til at vokse tænder, hjertevæv, knoglevæv og mere, sagde NIST-kemiker Zeeshan Ahmed.

"Vi vil lave sensorer, der kan sættes i voksende væv for at give forskerne kvantitativ information, " sagde Ahmed. "Vokser vævet faktisk? Er det sundt? Hvis du vokser en knogle, har den de rigtige mekaniske egenskaber, eller er den for svag til at understøtte en krop? "

Arbejdet kunne også have fordele ud over vævsteknologi, til at studere udviklingen af ​​sygdomme som kræft.

"Det, disse sensorer kunne give folk, er realtidsinformation om vævsvækst og sygdomsprogression, " sagde American University kemiker og NIST gæsteforsker Matthew Hartings. Konventionelle sensorer giver forskere en række snapshots uden at vise dem vejen mellem disse punkter, sagde Hartings. Men fotoniske sensorer kunne give videnskabsmænd kontinuerlig information, svarende til en GPS-navigationsapp til sygdom.

"Vi ønsker at give forskerne et detaljeret kort over de trinvise ændringer, der sker, når væv enten vokser på en sund måde eller bliver sygt, "Sagde Hartings." Når forskerne ved, hvilke gader en sygdom tager, så kan de bedre forebygge eller understøtte de forandringer, der sker" i en patients krop.

Et problem at løse

Målinger af pH er en vital del af vævstekniske undersøgelser. Når celler vokser, deres miljø bliver naturligt mere surt. Hvis miljøet bliver for surt - eller for basisk - vil cellerne dø. Forskere måler pH på en skala fra 0 (meget surt) til 14 (meget basisk), med et ideelt miljø for de fleste celler i et snævert område omkring en pH -værdi på 7.

Kommercielle pH-instrumenter er meget nøjagtige, men ustabile, hvilket betyder, at de kræver hyppige kalibreringer for at sikre nøjagtige aflæsninger fra dag til dag. Uden kalibrering, disse konventionelle pH-målere mister op til 0,1 pH-enheders nøjagtighed dagligt. Men vævstekniske undersøgelser finder sted i størrelsesordenen uger. En kultur af stamceller skal muligvis dyrkes i næsten en måned, før de bliver til knogler.

"En stigning på 0,1 pH er signifikant, "Sagde Ahmed." Hvis din pH -værdi ændres med 1, du dræber cellerne. Hvis jeg efter et par dage ikke kan stole på noget om min pH -måling, så kommer jeg ikke til at bruge den målemetode."

På den anden side, hvis forskere forstyrrer de voksende celler, hver gang de skal måle cellekulturens pH, så introducerer forskerne en anden form for usikkerhed til deres målinger, da de ændrer cellernes miljø.

Hvad er nødvendigt for denne form for forskning, Ahmed sagde, er et målesystem, der kan forblive inde i en inkubator med cellerne i deres dyrkningsmedium og ikke skal fjernes eller kalibreres i uger ad gangen.

Brave nye sensorer

Årevis, Ahmed og hans team har udviklet fotoniske sensorer, små letvægtsenheder, der bruger optiske signaler til at måle en række kvaliteter, herunder temperatur, tryk og fugtighed.

Nogle af disse nye enheder bruger kommercielt tilgængelige, fleksible optiske fibre ætset med et Bragg-gitter, en slags filter for lys, der reflekterer bestemte bølgelængder og tillader andre at passere. Ændringer i temperatur eller tryk ændrer bølgelængderne af lys, der kan passere gennem gitteret.

For at tilpasse deres fotoniske enheder til en pH -måling, Ahmed og Hartings stolede på et velkendt koncept i videnskaben:Når en genstand absorberer lys, den absorberede energi "skal gå et sted hen, Ahmed sagde, og i mange tilfælde bliver den energi til varme.

"For hver enkelt foton, den producerede varme er en meget lille mængde energi, " sagde Ahmed. "Men hvis du har masser af fotoner, der kommer ind, og du har masser af molekyler, det bliver en mærkbar ændring i varmen."

Til deres demonstration, forskerne brugte et stof, der ændrer farve som reaktion på ændringer i pH, et materiale, som mange måske husker fra biologitimerne:rødkålsjuicepulver. Kålsaft skifter farve fra nuancer af mørk lilla til lys pink afhængigt af surhedsgraden af ​​en opløsning. Den ændring i farve kan opfanges af Ahmeds fotoniske temperatursensorer.

Forskere fyldte en petriskål med kåljuiceopløsningen. En optisk fiber blev placeret over skålen. Den blev forbundet til en laserpeger og skinnede lys ind i prøven. En anden optisk fiber var fysisk indlejret i væsken. Denne anden fiber indeholdt Bragg-gitteret og fungerede som temperatursensor. Ahmeds team kontrollerede opløsningens pH manuelt.

For at foretage en måling, forskerne skinnede en lysfarve - såsom rød - ind i prøven ovenfra. Kåljuice absorberede rødt lys i varierende grad baseret på dets farve, som afhang af opløsningens pH på det tidspunkt. Den fotoniske termometerfiber opfangede disse små ændringer i juicens varme. En ændring i temperaturen ændrer bølgelængderne af lys, der kan passere gennem fiberens Bragg-gitter.

Næste, forskerne skinnede en anden lysfarve - såsom grønt - ind i væsken, og gentog processen.

Ved at sammenligne hvor meget varme der blev genereret af hver lysfarve, forskere kunne bestemme den nøjagtige farve på kålsaften i det øjeblik, og det fortalte dem pH.

"Vi sagde bogstaveligt talt, 'Kan vi tænde og slukke to laserpegere i et par minutter og se, om vi kan gøre det til en pH -måler?', " sagde Ahmed. "Og vi var i stand til at vise, at det virker over en bred vifte, " fra en pH på 4 til en pH på 9 eller 10.

Igangværende arbejde viser, at de fotoniske pH-målinger er nøjagtige til plus eller minus 0,13 pH-enheder og er stabile i mindst tre uger, meget længere end konventionelle målinger.

Ud over kåljuice

Forskerne siger, at ifølge deres vævstekniske samarbejdspartnere, de nye fotoniske sensorer kunne give nyttig information til en række biologiske systemer, der studeres, især væksten af ​​hjerte- og knogleceller.

Til deres næste runde af eksperimenter, allerede i gang, NIST-forskerne bruger et andet pH-følsomt farvestof kaldet phenolrød. Ud over, de arbejder på at indkapsle farvestoffet i en plastbelægning omkring selve fiberen, så den ikke interagerer med cellemediet. Holdet udfører også sin første test af systemet i en ægte cellekultur, med hjælp fra NIST-kolleger med speciale i vævsteknologi.

Fremtidige planer omfatter måling af mængder ud over pH, hvilket simpelthen ville kræve at udskifte phenolrødt med et andet farvestof, der er følsomt over for, hvad ejendomsforskere ønsker at måle.

Og meget længere i fremtiden, Ahmed håber, at måleordningen muligvis kan bruges til at overvåge væksten af ​​væv i en ægte persons krop.

"Det langsigtede mål er at kunne sætte implanterbare enheder ind i mennesker, hvor du forsøger at dyrke knogler og muskler, og så kunne sensorerne forhåbentlig over tid designes til at opløses væk, og du behøvede ikke engang at gå ind igen og fjerne dem, " sagde Ahmed. "Det er den ultimative drøm. Men baby træder først. "