Met een nieuwe biosensor kunnen onderzoekers zuurstofniveaus in realtime volgen in "organ-on-a-chip" -systemen, waardoor het mogelijk wordt ervoor te zorgen dat dergelijke systemen de functie van echte organen beter nabootsen. Dit is essentieel als organen-op-een-chip hun potentieel willen bereiken in toepassingen zoals het testen van geneesmiddelen en toxiciteit.

Het orgel-op-een-chip-concept krijgt al ongeveer tien jaar veel aandacht van onderzoekers. Het idee is om kleinschalige, biologische structuren die een specifieke orgaanfunctie nabootsen, zoals het overbrengen van zuurstof uit de lucht in de bloedbaan op dezelfde manier als een long. Het doel is om deze organen-op-een-chip - ook wel microfysiologische modellen genoemd - te gebruiken om high-throughput-tests te versnellen om de toxiciteit te beoordelen of om de effectiviteit van nieuwe medicijnen te evalueren.

Maar hoewel het orgaan-op-een-chip-onderzoek de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt, een obstakel voor het gebruik van deze structuren is het gebrek aan tools die zijn ontworpen om daadwerkelijk gegevens uit het systeem te halen.

"Voor het grootste gedeelte, de enige bestaande manieren om gegevens te verzamelen over wat er gebeurt in een orgaan-op-een-chip is het uitvoeren van een bioassay, histologie, of gebruik een andere techniek waarbij het weefsel wordt vernietigd, " zegt Michaël Daniëlle, corresponderende auteur van een paper over de nieuwe biosensor. Daniele is een assistent-professor elektrotechniek aan de North Carolina State University en in de Joint Department of Biomedical Engineering van NC State en de University of North Carolina, Kapel heuvel.

"Wat we echt nodig hebben, zijn tools die een middel bieden om gegevens in realtime te verzamelen zonder de werking van het systeem te beïnvloeden, Daniele zegt. "Dat zou ons in staat stellen om continu data te verzamelen en te analyseren, en bieden rijkere inzichten in wat er aan de hand is. Onze nieuwe biosensor doet precies dat, tenminste voor zuurstofniveaus."

Zuurstofniveaus variëren sterk over het lichaam. Bijvoorbeeld, bij een gezonde volwassene, longweefsel heeft een zuurstofconcentratie van ongeveer 15 procent, terwijl de binnenwand van de darm ongeveer 0 procent is. Dit is van belang omdat zuurstof direct de weefselfunctie beïnvloedt. Als je wilt weten hoe een orgaan zich normaal gaat gedragen, je moet "normale" zuurstofniveaus in je orgel-op-een-chip handhaven bij het uitvoeren van experimenten.

"Wat dit in de praktijk betekent, is dat we een manier nodig hebben om de zuurstofniveaus te controleren, niet alleen in de directe omgeving van het orgaan-op-een-chip, maar in het weefsel van het orgaan-op-een-chip zelf, " zegt Daniele. "En we moeten het in realtime kunnen doen. Nu hebben we een manier om dat te doen."

De sleutel tot de biosensor is een fosforescerende gel die infrarood licht uitstraalt na blootstelling aan infrarood licht. Zie het als een weerkaatsende flits. Maar de vertragingstijd tussen het moment waarop de gel wordt blootgesteld aan licht en het moment waarop de echoflits wordt uitgezonden, varieert, afhankelijk van de hoeveelheid zuurstof in de omgeving. Hoe meer zuurstof er is, hoe korter de vertragingstijd. Deze vertragingstijden duren slechts microseconden, maar door die tijden in de gaten te houden, onderzoekers kunnen de zuurstofconcentratie meten tot tienden van procenten.

Om de biosensor te laten werken, onderzoekers moeten tijdens de fabricage een dunne laag van de gel in een organ-on-a-chip opnemen. Omdat infrarood licht door weefsel kan gaan, onderzoekers kunnen een "lezer gebruiken - die infrarood licht uitstraalt en de echo van de flits van de fosforescerende gel meet - om het zuurstofgehalte in het weefsel herhaaldelijk te controleren, met vertragingstijden gemeten in microseconden.

Het onderzoeksteam dat de biosensor heeft ontwikkeld, heeft het met succes getest in driedimensionale steigers met behulp van menselijke borstepitheelcellen om zowel gezond als kankerachtig weefsel te modelleren.

"Een van onze volgende stappen is om de biosensor op te nemen in een systeem dat automatisch aanpassingen maakt om de gewenste zuurstofconcentratie in het orgel-op-een-chip te behouden, " zegt Daniele. "We hopen ook samen te werken met andere weefselengineeringonderzoekers en de industrie. We denken dat onze biosensor een waardevol instrument kan zijn om de ontwikkeling van organen-op-een-chip als levensvatbare onderzoeksinstrumenten te helpen bevorderen."

De krant, "Geïntegreerde op fosforescentie gebaseerde fotonische biosensor (iPOB) voor het bewaken van zuurstofniveaus in 3D-celkweeksystemen, " is gepubliceerd in het tijdschrift Biosensoren en bio-elektronica .