op een dag, doktoren willen ledematen en ander lichaamsweefsel kweken voor soldaten die wapens hebben verloren in de strijd, kinderen die een nieuw hart of een nieuwe lever nodig hebben, en vele andere mensen met kritieke behoeften. Vandaag, medische professionals kunnen cellen van een patiënt enten, leg ze op een weefselsteiger, en steek de steiger in het lichaam om de groei van bot te stimuleren, kraakbeen en ander gespecialiseerd weefsel. Maar onderzoekers werken nog steeds aan het bouwen van complexe organen die in patiënten kunnen worden geïmplanteerd.

Wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) ondersteunen dit onderzoeksgebied door een veelbelovend nieuw soort op licht gebaseerde sensor te ontwikkelen om weefselgroei in het laboratorium te bestuderen.

Het proof-of-concept werk van het NIST-team, vandaag gepubliceerd in Sensoren en actuatoren B , demonstreert een kleine sensor die een op licht gebaseerd signaal gebruikt om de pH te meten, de meeteenheid voor zuurgraad, een belangrijke eigenschap in celgroeistudies. Hetzelfde basisontwerp zou kunnen worden gebruikt om andere eigenschappen te meten, zoals de aanwezigheid van calcium, celgroeifactor en bepaalde antilichamen.

In tegenstelling tot conventionele sensoren, deze meetmethode zou kunnen worden gebruikt om de omgeving in een celcultuur langdurig - wekenlang - te monitoren zonder de cellen regelmatig te hoeven verstoren om de meetinstrumenten te kalibreren. Eigenschappen van het weefsel in realtime bekijken terwijl ze langzaam veranderen, gedurende dagen of weken, kunnen weefselengineeringstudies enorm ten goede komen om tanden te laten groeien, hart weefsel, botweefsel en meer, zei NIST-chemicus Zeeshan Ahmed.

"We willen sensoren maken die in groeiend weefsel kunnen worden geplaatst om onderzoekers kwantitatieve informatie te geven, ' zei Ahmed. 'Groeit het weefsel echt? Is het gezond? Als je een bot laat groeien, heeft het de juiste mechanische eigenschappen of is het te zwak om een ​​lichaam te ondersteunen?"

Het werk kan ook voordelen hebben die verder gaan dan tissue engineering, in het bestuderen van de progressie van ziekten zoals kanker.

"Wat deze sensoren mensen zouden kunnen geven, is realtime informatie over weefselgroei en ziekteprogressie, ", zegt Matthew Hartings, chemicus en NIST-gastonderzoeker van de American University. Conventionele sensoren geven onderzoekers een reeks snapshots zonder hen het pad tussen die punten te laten zien, aldus Hartings. Maar fotonische sensoren kunnen wetenschappers continu van informatie voorzien, het equivalent van een gps-navigatie-app voor ziekte.

"We willen onderzoekers een gedetailleerde kaart bieden van de incrementele veranderingen die optreden als weefsel op een gezonde manier groeit of ziek wordt, "Zei Hartings. "Zodra onderzoekers de 'straten' kennen die een ziekte inneemt, dan kunnen ze de veranderingen die plaatsvinden in het lichaam van een patiënt beter voorkomen of ondersteunen.

Een probleem om op te lossen

Metingen van de pH zijn een essentieel onderdeel van weefselengineeringstudies. Naarmate cellen groeien, hun omgeving wordt van nature zuurder. Als de omgeving te zuur of te basisch wordt, zullen de cellen afsterven. Wetenschappers meten de pH op een schaal van 0 (zeer zuur) tot 14 (zeer basisch), met een ideale omgeving voor de meeste cellen in een smal bereik rond een pH van 7.

Commerciële pH-instrumenten zijn zeer nauwkeurig maar onstabiel, wat betekent dat ze regelmatig moeten worden gekalibreerd om elke dag nauwkeurige metingen te garanderen. Zonder kalibratie, deze conventionele pH-meters verliezen dagelijks tot 0,1 pH-eenheid aan nauwkeurigheid. Maar weefselengineeringstudies vinden in de orde van weken plaats. Een cultuur van stamcellen moet misschien bijna een maand worden gekweekt voordat ze in bot veranderen.

"Een toename van 0,1 pH is significant, " zei Ahmed. "Als je pH-waarde met 1 verandert, je doodt de cellen. Als ik na een paar dagen niets meer kan vertrouwen van mijn pH-meting, dan ga ik die meetmethode niet gebruiken."

Anderzijds, als onderzoekers de groeiende cellen verstoren telkens als ze de pH van de celcultuur moeten meten, dan introduceren de wetenschappers een ander soort onzekerheid in hun metingen, omdat ze de omgeving van de cellen veranderen.

Wat is er nodig voor dit soort onderzoek, Achmed zei, is een meetsysteem dat in een incubator kan blijven met de cellen in hun kweekmedium en niet wekenlang verwijderd of gekalibreerd hoeft te worden.

Dappere nieuwe sensoren

Voor jaren, Ahmed en zijn team hebben fotonische sensoren ontwikkeld, kleine lichtgewicht apparaten die optische signalen gebruiken om een ​​reeks eigenschappen te meten, waaronder temperatuur, druk en vochtigheid.

Sommige van deze nieuwe apparaten gebruiken in de handel verkrijgbare, flexibele optische vezels geëtst met een Bragg-rooster, een soort filter voor licht dat bepaalde golflengten weerkaatst en andere doorlaat. Veranderingen in temperatuur of druk veranderen de golflengten van het licht dat door het rooster kan gaan.

Om hun fotonische apparaten aan te passen aan een pH-meting, Ahmed en Hartings vertrouwden op een bekend concept in de wetenschap:wanneer een object licht absorbeert, de geabsorbeerde energie "moet ergens heen, "Ahmed zei, en in veel gevallen verandert die energie in warmte.

"Voor elk afzonderlijk foton, de geproduceerde warmte is een zeer kleine hoeveelheid energie, "Ahmed zei. "Maar als er veel fotonen binnenkomen, en je hebt veel moleculen, het wordt een merkbare verandering in warmte."

Voor hun demonstratie de wetenschappers gebruikten een stof die van kleur verandert als reactie op veranderingen in de pH, een materiaal dat veel mensen zich misschien nog herinneren van biologielessen:rodekoolsappoeder. Koolsap verandert van kleur van donkerpaars naar lichtroze, afhankelijk van de zuurgraad van een oplossing. Die kleurverandering kan worden opgevangen door Ahmeds fotonische temperatuursensoren.

Onderzoekers vulden een petrischaal met de koolsapoplossing. Een optische vezel werd boven de schaal geplaatst. Het was verbonden met een laserpointer en scheen licht in het monster. Een tweede optische vezel werd fysiek in de vloeistof ingebed. Deze tweede vezel bevatte het Bragg-rooster en fungeerde als temperatuursensor. Het team van Ahmed controleerde de pH van de oplossing handmatig.

Om een ​​meting uit te voeren, de onderzoekers schenen van bovenaf één kleur licht, zoals rood, in het monster. Het koolsap absorbeerde het rode licht in verschillende mate afhankelijk van de kleur, die op dat moment afhing van de pH van de oplossing. De fotonische thermometervezel pikte deze kleine veranderingen in de hitte van het sap op. Een verandering in temperatuur verandert de golflengten van het licht dat door het Bragg-rooster van de vezel kan gaan.

Volgende, de onderzoekers schenen een tweede kleur licht, zoals groen, in de vloeistof, en herhaalde het proces.

Door te vergelijken hoeveel warmte werd gegenereerd door elke kleur licht, onderzoekers konden op dat moment de exacte kleur van het koolsap bepalen, en dat vertelde hen de pH.

"Letterlijk zeiden we:'Kunnen we twee laserpointers een paar minuten aan- en uitzetten en kijken of we daar een pH-meter van kunnen maken?', "Ahmed zei. "En we konden laten zien dat het over een breed bereik werkt, " van een pH van 4 tot een pH van 9 of 10.

Lopend werk toont aan dat de fotonische pH-metingen nauwkeurig zijn tot plus of min 0,13 pH-eenheden en stabiel zijn gedurende ten minste drie weken, veel langer dan conventionele metingen.

Voorbij koolsap

De onderzoekers zeggen dat volgens hun tissue engineering medewerkers, de nieuwe fotonische sensoren kunnen nuttige informatie opleveren voor een reeks biologische systemen die worden bestudeerd, vooral de groei van hart- en botcellen.

Voor hun volgende ronde van experimenten, al aan de gang, de NIST-onderzoekers gebruiken een andere pH-gevoelige kleurstof, fenolrood genaamd. In aanvulling, ze werken eraan om de kleurstof in een plastic coating rond de vezel zelf in te kapselen, zodat deze geen interactie aangaat met het celmedium. Het team voert ook de eerste test van het systeem uit in een echte celcultuur, met hulp van NIST-collega's die gespecialiseerd zijn in tissue engineering.

Toekomstplannen omvatten het meten van hoeveelheden buiten pH, waarvoor eenvoudigweg fenolrood moet worden vervangen door een andere kleurstof die gevoelig is voor welke eigenschap die onderzoekers ook willen meten.

En nog veel verder in de toekomst, Ahmed hoopt dat het meetschema mogelijk kan worden gebruikt om de groei van weefsel in het lichaam van een echte persoon te volgen.

"Het doel op lange termijn is om implanteerbare apparaten te kunnen plaatsen in mensen waar je botten en spieren probeert te laten groeien, en hopelijk kunnen de sensoren na verloop van tijd zo worden ontworpen dat ze oplossen en hoef je niet eens meer naar binnen om ze te verwijderen, "Ahmed zei. "Dat is de ultieme droom. Maar babystapjes eerst."