Биосенсор обеспечивает мониторинг кислорода в реальном времени для органов-на-чипе

Концепция «орган-на-чипе» создает небольшие биологические структуры, которые имитируют функцию конкретного органа, такую ​​как перенос кислорода из воздуха в кровоток, как это делает легкое. Цель состоит в том, чтобы использовать эти органы на чипе, также называемые микрофизиологическими моделями, для ускорения высокопроизводительного тестирования для оценки токсичности или эффективности новых лекарств.

Но хотя в последние годы исследования органов на чипе добились значительных успехов, одним из препятствий на пути использования этих структур является отсутствие инструментов, предназначенных для фактического извлечения данных из системы. Существующие способы сбора данных заключаются в проведении биоанализа, гистологии или использовании какой-либо другой методики, предполагающей разрушение ткани. Нужны инструменты, позволяющие собирать данные в режиме реального времени, не влияя на работу системы.

Уровни кислорода сильно различаются по всему телу; например, у здорового взрослого человека в легочной ткани концентрация кислорода составляет около 15 процентов, а во внутренней оболочке кишечника — около 0 процентов. Это важно, потому что кислород напрямую влияет на функцию тканей. Чтобы знать, как орган будет вести себя нормально, при проведении экспериментов в органе-на-чипе необходимо поддерживать «нормальный» уровень кислорода. Это означает мониторинг уровня кислорода не только в непосредственной близости от органа-на-чипе, но и в его тканях.

Для решения этих задач был разработан биосенсор, который позволяет исследователям отслеживать уровень кислорода в режиме реального времени в системах «орган-на-чипе», что позволяет гарантировать, что такие системы более точно имитируют функцию реальных органов. Это важно, если органы на чипе надеются реализовать свой потенциал в таких приложениях, как тестирование на наркотики и токсичность.

Ключом к биосенсору является фосфоресцирующий гель, который излучает инфракрасный свет после воздействия инфракрасного света. Но время задержки между моментом, когда гель подвергается воздействию света, и моментом, когда он испускает эхо-вспышку, варьируется в зависимости от количества кислорода в окружающей среде. Чем больше кислорода, тем короче время задержки. Эти задержки длятся всего микросекунды, но, отслеживая это время, исследователи могут измерять концентрацию кислорода вплоть до десятых долей процента.

Чтобы биосенсор работал, тонкий слой геля должен быть включен в орган-на-чипе во время его изготовления. Поскольку инфракрасный свет может проходить через ткань, «считыватель», который излучает инфракрасный свет и измеряет отраженную вспышку от фосфоресцирующего геля, используется для многократного контроля уровня кислорода в ткани с задержкой, измеряемой в микросекундах.

Биосенсор был успешно протестирован в трехмерных каркасах с использованием эпителиальных клеток молочной железы человека для моделирования как здоровой, так и раковой ткани. Следующим шагом будет включение его в систему, которая автоматически вносит коррективы для поддержания желаемой концентрации кислорода.