Någon dag, läkare skulle vilja odla lemmar och annan kroppsvävnad för soldater som har förlorat armar i strid, barn som behöver ett nytt hjärta eller lever, och många andra människor med kritiska behov. I dag, läkare kan transplantera celler från en patient, placera dem på en vävnadsställning, och sätt in ställningen i kroppen för att uppmuntra tillväxten av ben, brosk och annan specialiserad vävnad. Men forskare arbetar fortfarande med att bygga komplexa organ som kan implanteras i patienter.

Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) stödjer detta forskningsområde genom att utveckla en lovande ny typ av ljusbaserad sensor för att studera vävnadstillväxt i labbet.

NIST-teamets proof-of-concept-arbete, publiceras idag i Sensorer och ställdon B , visar en liten sensor som använder en ljusbaserad signal för att mäta pH, måttenheten för surhet, en viktig egenskap i celltillväxtstudier. Samma grundläggande design skulle kunna användas för att mäta andra kvaliteter såsom närvaron av kalcium, celltillväxtfaktor och vissa antikroppar.

Till skillnad från konventionella sensorer, denna mätmetod skulle kunna användas för att övervaka miljön i en cellkultur på lång sikt – i veckor i taget – utan att behöva störa cellerna regelbundet för att kalibrera avkänningsinstrumenten. Titta på egenskaperna hos vävnaden i realtid när de långsamt förändras, över dagar eller veckor, kan gynna vävnadstekniska studier mycket för att växa tänder, hjärtvävnad, benvävnad och mer, sa NIST-kemist Zeeshan Ahmed.

"Vi vill göra sensorer som kan placeras inuti växande vävnad för att ge forskare kvantitativ information, "Sade Ahmed. "Är vävnaden verkligen växande? Är det hälsosamt? Om du växer ett ben, har den rätt mekaniska egenskaper eller är den för svag för att stödja en kropp?"

Arbetet kan också ha fördelar utöver vävnadsteknik, att studera utvecklingen av sjukdomar som cancer.

"Vad dessa sensorer kan ge människor är realtidsinformation om vävnadstillväxt och sjukdomsprogression, "sade kemist vid amerikanska universitetet och NIST -gästforskaren Matthew Hartings. Konventionella sensorer ger forskare en serie ögonblicksbilder utan att visa dem vägen mellan dessa punkter, sa Hartings. Men fotoniska sensorer kan ge forskare kontinuerlig information, motsvarigheten till en GPS-navigeringsapp för sjukdom.

"Vi vill ge forskare en detaljerad karta över de inkrementella förändringarna som sker när vävnad antingen växer på ett hälsosamt sätt eller blir sjuk, ", sa Hartings. "När forskarna väl vet vilka "gator" en sjukdom tar, då kan de bättre förebygga eller stödja de förändringar som sker" i en patients kropp.

Ett problem att lösa

Mätningar av pH är en viktig del av vävnadstekniska studier. När celler växer, deras miljö blir naturligt surare. Om miljön blir för sur – eller för basisk – kommer cellerna att dö. Forskare mäter pH på en skala från 0 (mycket surt) till 14 (mycket basiskt), med en idealisk miljö för de flesta celler i ett snävt område runt ett pH på 7.

Kommersiella pH-instrument är mycket exakta men instabila, vilket innebär att de kräver frekventa kalibreringar för att säkerställa korrekta avläsningar dag för dag. Utan kalibrering, dessa konventionella pH-mätare förlorar upp till 0,1 pH-enheter i noggrannhet dagligen. Men vävnadstekniska studier äger rum i storleksordningen veckor. En kultur av stamceller kan behöva odlas i nästan en månad innan de förvandlas till ben.

"En ökning med 0,1 pH är signifikant, " sa Ahmed. "Om ditt pH-värde ändras med 1, du dödar cellerna. Om jag efter några dagar inte kan lita på något om min pH-mätning, då tänker jag inte använda den mätmetoden."

Å andra sidan, om forskare stör de växande cellerna varje gång de ska mäta cellkulturens pH, sedan introducerar forskarna en annan typ av osäkerhet i sina mätningar, eftersom de förändrar cellernas miljö.

Vad som behövs för den här typen av forskning, Ahmed sa, är ett mätsystem som kan stanna inne i en inkubator med cellerna i deras odlingsmedium och inte behöver avlägsnas eller kalibreras i veckor i taget.

Brabra nya sensorer

I åratal, Ahmed och hans team har utvecklat fotoniska sensorer, små lätta enheter som använder optiska signaler för att mäta en rad kvaliteter inklusive temperatur, tryck och fuktighet.

Några av dessa nya enheter använder kommersiellt tillgängliga, flexibla optiska fibrer etsade med ett Bragg -galler, ett slags filter för ljus som reflekterar vissa våglängder och låter andra passera. Förändringar i temperatur eller tryck förändrar ljusets våglängder som kan passera genom gallret.

För att anpassa sina fotoniska enheter till en pH-mätning, Ahmed och Hartings förlitade sig på ett välkänt koncept inom vetenskapen:När ett föremål absorberar ljus, energin som absorberas "måste gå någonstans, Ahmed sa, och i många fall blir den energin till värme.

"För varje enskild foton, värmen som produceras är en mycket liten mängd energi, " Ahmed sa. "Men om du har massor av fotoner som kommer in, och du har massor av molekyler, det blir en märkbar värmeförändring."

För deras demonstration, forskarna använde ett ämne som ändrar färg som svar på förändringar i pH, ett material som många kanske minns från biologilektionerna:rödkålsjuicepulver. Kåljuice ändrar färg från nyanser av mörklila till ljusrosa beroende på surheten i en lösning. Den förändringen i färg kan plockas upp av Ahmeds fotoniska temperatursensorer.

Forskare fyllde en petriskål med kåljuicelösningen. En optisk fiber placerades ovanför skålen. Den var kopplad till en laserpekare och lyste in ljus i provet. En andra optisk fiber var fysiskt inbäddad i vätskan. Denna andra fiber innehöll Bragg-gallret och fungerade som temperatursensor. Ahmeds team kontrollerade lösningens pH manuellt.

För att göra en mätning, forskarna lyste en färg av ljus – som rött – in i provet från ovan. Kålsaften absorberade det röda ljuset i varierande grad beroende på dess färg, vilket berodde på lösningens pH vid den tiden. Den fotoniska termometerfibern tog upp dessa små förändringar i juicens värme. En förändring i temperaturen ändrar våglängderna av ljus som kan passera genom fiberns Bragg-galler.

Nästa, forskarna lyste en andra ljusfärg - som grönt - in i vätskan, och upprepade processen.

Genom att jämföra hur mycket värme som genererades av varje ljusfärg, forskare kunde bestämma den exakta färgen på kåljuicen i det ögonblicket, och det berättade för dem pH.

"Bokstavligen sa vi, "Kan vi slå på och av två laserpekare i några minuter och se om vi kan göra om det till en pH-mätare?", " Ahmed sa. "Och vi kunde visa att det fungerar över ett brett spektrum, " från ett pH på 4 till ett pH på 9 eller 10.

Pågående arbete visar att de fotoniska pH-mätningarna är exakta till plus eller minus 0,13 pH-enheter och är stabila i minst tre veckor, mycket längre än konventionella mätningar.

Beyond Cabbage Juice

Forskarna säger att enligt deras vävnadstekniska medarbetare, de nya fotoniska sensorerna kan ge användbar information för en rad biologiska system som studeras, särskilt tillväxten av hjärt- och benceller.

För deras nästa omgång av experiment, redan på gång, NIST-forskarna använder ett annat pH-känsligt färgämne som kallas fenolrött. Dessutom, de arbetar med att kapsla in färgen i en plastbeläggning runt själva fibern så att den inte interagerar med cellmediet. Teamet genomför också sitt första test av systemet i en riktig cellkultur, med hjälp av NIST-kollegor som är specialiserade på vävnadsteknik.

Framtida planer inkluderar mätning av kvantiteter över pH, vilket helt enkelt skulle kräva att man byter ut fenolrött mot ett annat färgämne som är känsligt för vad forskare vill mäta.

Och mycket längre fram i tiden, Ahmed hoppas att mätschemat potentiellt kan användas för att övervaka tillväxten av vävnad i en riktig persons kropp.

"Det långsiktiga målet är att kunna sätta implanterbara enheter i människor där du försöker växa ben och muskler, och sedan förhoppningsvis med tiden kunde sensorerna designas för att lösas upp och du skulle inte ens behöva gå tillbaka in och ta bort dem, " sade Ahmed. "Det är den ultimata drömmen. Men babysteg först."