Het is belangrijk om te weten dat iemands nieuwe cellen voeding krijgen. Wetenschappers van Rice University werken aan een manier om het zeker te weten.

Het Rice-lab van bio-ingenieur Jane Grande-Allen heeft sensoren voor zachte microdeeltjes uitgevonden om de zuurstofniveaus in hydrogels te bewaken die dienen als steigers voor groeiend weefsel.

Hydrogels die worden ontwikkeld aan de Brown School of Engineering van Rice en elders, kunnen op de plaats van een verwonding worden geplaatst. Bezaaid met levende cellen, ze stimuleren de groei van nieuwe spieren, kraakbeen of, misschien ooit, hele organen. Ideaal, de hydrogel trekt bloedvaten aan die het materiaal doordrenken en voeding naar de cellen brengen.

Grande-Allen en haar team ontwierpen hun fluorescerende deeltjes om te rapporteren over zuurstofniveaus in gels. Hun werk verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society ACS Biomaterialen Wetenschap en Techniek .

"We hebben samengewerkt met onderzoekers in intestinale mechanobiologie en wilden een eenvoudige manier om te vertellen welk zuurstofniveau we hadden in onze 3D-weefselculturen, " zei Grande-Allen. "Waar we een specifiek zuurstofniveau bedoelen, we willen er zeker van zijn dat de cellen dat krijgen.

"Er zijn meerdere manieren om dit te doen, "zei ze. "We kunnen rekenmodellen hebben, maar we zouden verschillende veronderstellingen moeten maken over de manier waarop zuurstof het kweekmedium en het 3D-steigermateriaal doordringt. Een betere manier is om het direct te meten, dus dat was ons doel."

Hoofdauteur Reid Wilson, een MD/Ph.D. student aan Rice en Baylor College of Medicine, voortgebouwd op het werk van Rice-alumnus Matthew Sapp en Rice-afgestudeerde student Sergio Barrios om zachte microdeeltjes te ontwikkelen die een door zuurstof geactiveerd fluorescerend molecuul bevatten op basis van palladium en een referentie-fluorofoor.

Wilson onderging verschillende iteraties van kleurstofcombinaties en concentraties om die microdeeltjes te ontwikkelen. "Het probleem met het gebruik van zuurstofgevoelige fluoroforen in driedimensionale culturen is dat hun signaal niet helder genoeg is om betrouwbaar te meten, " zei hij. "Dus we laadden de microdeeltjes met hoge concentraties kleurstof, waardoor meer reproduceerbare metingen van de zuurstofconcentratie mogelijk waren."

De deeltjes kunnen samen met levende cellen in hydrogel worden gesuspendeerd, en testen toonden aan dat ze niet giftig zijn voor die cellen. Signalen van de fluorescerende componenten kunnen worden gelezen op hun individuele golflengten, maar hun kracht ligt in het combineren van de reactie van beide, waarmee clinici het zuurstofgehalte tot 2 millimeter in weefsels kunnen meten.

"Dat is klein, maar zuurstofdiffusielimieten zijn meestal klein, Grande-Allen zei. "Sommige cellen zijn vrij dicht bij een bloedtoevoer, met een hoog zuurstofgehalte, aangevoerd door bloedcellen met hemoglobine. Maar sommige bacteriën in het microbioom zijn normaal gesproken anaëroob en overleven beter zonder zuurstof."

Grande-Allen zei dat de deeltjes niet vatbaar zijn voor fotobleken (vervaging) wanneer ze op de juiste golflengte worden belicht, ze zonken ook niet uit de hydrogel, zoals grotere fluorescerende deeltjes geneigd waren te doen, zelfs na een jaar in opslag.

Ze merkte op dat weefsels zoals kraakbeen en bepaalde soorten zieke hartkleppen geen vasculaire netwerken hebben, maar hun cellen gedijen goed. "Ik heb me altijd afgevraagd hoe deze cellen aan voeding komen en wat ze nodig hebben om te overleven. " zei ze. "Met zuurstofgevoelige microdeeltjes en andere technieken die we in mijn laboratorium gebruiken om levende en geconstrueerde materialen uit te rekken, we kunnen beginnen te werken aan het beantwoorden van deze vragen."