Передовительный биосенсор обеспечивает мониторинг кислорода в реальном времени в органах-на-чипе

Концепция органа-на-чипе создает малые биологические структуры, имитирующие конкретную функцию органа, такую как перенос кислорода из воздуха в кровоток так же, как это делает легкое. Цель — использовать эти органы-на-чипе — также называемые микрофизиологическими моделями — для ускорения высокопроизводительного тестирования для оценки токсичности или оценки эффективности новых лекарств.

Но пока исследования органов-на-чипе сделали значительные достижения в последние годы, одно препятствие для использования этих структур — отсутствие инструментов, предназначенных для фактического извлечения данных из системы. Существующие способы сбора данных — проведение биоанализа, гистологии или использование другой техники, включающей уничтожение ткани. Нужны инструменты, обеспечивающие средства сбора данных в реальном времени без влияния на работу системы.

Уровни кислорода широко варьируются по телу; например, у здорового взрослого ткань легких имеет концентрацию кислорода около 15 процентов, в то время как внутренняя облицовка кишечника около 0 процентов. Это важно, потому что кислород напрямую влияет на функцию ткани. Чтобы знать, как орган будет вести себя нормально, «нормальные» уровни кислорода должны поддерживаться в органе-на-чипе при проведении экспериментов. Это означает мониторинг уровней кислорода не только в непосредственной среде органа-на-чипе, но и в его ткани.

Для решения этих вызовов был разработан биосенсор, позволяющий исследователям отслеживать уровни кислорода в реальном времени в системах органов-на-чипе, делая возможным обеспечение того, что такие системы ближе имитируют функцию реальных органов. Это необходимо, если органы-на-чипе надеются достичь своего потенциала в приложениях, таких как тестирование лекарств и токсичности.

Ключ биосенсора — фосфоресцирующий гель, излучающий инфракрасный свет после воздействия инфракрасного света. Но время задержки между тем, когда гель подвергается воздействию света, и когда он излучает отражающую вспышку, варьируется в зависимости от количества кислорода в его среде. Чем больше кислорода, тем короче время задержки. Эти времена задержки длятся только микросекунды, но мониторя их, исследователи могут измерять концентрацию кислорода до десятых доли процента.

Для работы биосенсора тонкий слой геля должен быть включен в орган-на-чип во время его изготовления. Поскольку инфракрасный свет может проходить через ткань, «ридер» — который излучает инфракрасный свет и измеряет отражающую вспышку от фосфоресцирующего геля — используется для мониторинга уровней кислорода в ткани многократно, с временем задержки, измеряемым в микросекундах.

Биосенсор успешно протестирован в трехмерных каркасах с использованием человеческих эпителиальных клеток груди для моделирования как здоровой, так и раковой ткани. Следующий шаг — включить его в систему, автоматически вносящую коррективы для поддержания желаемой концентрации кислорода.