En ny biosensor gör det möjligt för forskare att spåra syrenivåer i realtid i "organ-on-a-chip" -system, gör det möjligt att se till att sådana system närmare efterliknar de verkliga organens funktion. Detta är viktigt om organ-on-a-chip hoppas kunna nå sin potential i applikationer som läkemedels- och toxicitetstestning.

Organ-on-a-chip-konceptet har fått betydande uppmärksamhet från forskare i ungefär ett decennium. Tanken är att skapa småskaliga, biologiska strukturer som efterliknar en specifik organfunktion, som att överföra syre från luften till blodomloppet på samma sätt som en lunga gör. Målet är att använda dessa organ-on-a-chip-även kallade mikrofysiologiska modeller-för att påskynda tester med hög genomströmning för att bedöma toxicitet eller för att utvärdera effektiviteten av nya läkemedel.

Men medan organ-on-a-chip-forskning har gjort betydande framsteg under de senaste åren, ett hinder för användningen av dessa strukturer är bristen på verktyg som är utformade för att faktiskt hämta data från systemet.

"För det mesta, de enda existerande sätten att samla in data om vad som händer i ett organ-på-ett-chip är att genomföra en bioanalys, histologi, eller använda någon annan teknik som innebär att vävnaden förstörs, "säger Michael Daniele, motsvarande författare till ett papper om den nya biosensorn. Daniele är biträdande professor i elektroteknik vid North Carolina State University och vid Joint Department of Biomedical Engineering vid NC State och University of North Carolina, Chapel Hill.

"Vad vi verkligen behöver är verktyg som ger ett sätt att samla in data i realtid utan att påverka systemets funktion, "Säger Daniele." Det skulle göra det möjligt för oss att kontinuerligt samla in och analysera data, och ge rikare insikter om vad som händer. Vår nya biosensor gör precis det, åtminstone för syrehalten. "

Syrehalterna varierar mycket över hela kroppen. Till exempel, hos en frisk vuxen, lungvävnad har en syrekoncentration på cirka 15 procent, medan tarmens innerfoder är cirka 0 procent. Detta är viktigt eftersom syre direkt påverkar vävnadens funktion. Om du vill veta hur ett organ kommer att bete sig normalt, du måste behålla "normala" syrenivåer i ditt organ-på-ett-chip när du utför experiment.

"Vad detta betyder i praktiken är att vi behöver ett sätt att övervaka syrehalterna, inte bara i organ-på-ett-chipets närmaste miljö, men i själva organ-på-ett-chipets vävnad, "Säger Daniele." Och vi måste kunna göra det i realtid. Nu har vi ett sätt att göra det. "

Nyckeln till biosensorn är en fosforescerande gel som avger infrarött ljus efter att ha utsatts för infrarött ljus. Se det som en ekande blixt. Men fördröjningstiden mellan när gelén exponeras för ljus och när den avger den ekande blixten varierar, beroende på mängden syre i omgivningen. Ju mer syre det finns, desto kortare fördröjningstid. Dessa fördröjningstider varar i bara mikrosekunder, men genom att övervaka dessa tider, forskare kan mäta syrekoncentrationen ner till tiondelar av en procent.

För att biosensorn ska fungera, forskare måste införliva ett tunt lager av gelén i ett organ-på-ett-chip under tillverkningen. Eftersom infrarött ljus kan passera genom vävnad, forskare kan använda en "läsare - som avger infrarött ljus och mäter den ekande blixt från fosforescerande gel - för att övervaka syrehalten i vävnaden upprepade gånger, med fördröjningstider mätt i mikrosekunderna.

Forskargruppen som utvecklade biosensorn har testat den framgångsrikt i tredimensionella byggnadsställningar med hjälp av mänskliga bröstepitelceller för att modellera både frisk och cancerös vävnad.

"Ett av våra nästa steg är att införliva biosensorn i ett system som automatiskt gör justeringar för att bibehålla den önskade syrekoncentrationen i organ-on-a-chip, "Säger Daniele." Vi hoppas också kunna arbeta med andra vävnadstekniska forskare och industri. Vi tror att vår biosensor kan vara ett värdefullt instrument för att hjälpa till att främja utvecklingen av organ-on-a-chip som livskraftiga forskningsverktyg. "

Pappret, "Integrerad fosforescensbaserad fotonisk biosensor (iPOB) för övervakning av syrenivåer i 3D-cellodlingssystem, "publiceras i tidningen Biosensorer och bioelektronik .