Geavanceerde biosensor maakt realtime zuurstofmonitoring in organen-op-een-chip mogelijk

Organ-on-a-chip concept

Het organ-on-a-chip concept creëert kleinschalige biologische structuren die een specifieke orgaafunctie nabootsen, zoals het overbrengen van zuurstof uit de lucht in de bloedstroom op dezelfde manier als een long dat doet. Het doel is om deze organen-op-een-chip — ook wel microfysiologische modellen genoemd — te gebruiken om hoog-doorvoer testen te versnellen om toxiciteit te beoordelen of de effectiviteit van nieuwe geneesmiddelen te evalueren.

Uitdaging: data-ophaling zonder destructie

Maar terwijl organ-on-a-chip onderzoek in de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt, is één obstakel voor het gebruik van deze structuren het gebrek aan tools die ontworpen zijn om daadwerkelijk data uit het systeem op te halen. Bestaande manieren van data-verzameling zijn het uitvoeren van een bio-assay, histologie, of het gebruiken van een andere techniek die het vernietigen van het weefsel inhoudt. Wat nodig is, zijn tools die een manier bieden om data in realtime te verzamelen zonder de werking van het systeem te beïnvloeden.

Belang van zuurstofmonitoring

Zuurstofniveaus variëren wijd over het lichaam; bijvoorbeeld, bij een gezonde volwassene heeft longweefsel een zuurstofconcentratie van ongeveer 15 procent, terwijl de binnenste bekleding van de darm rond 0 procent is. Dit is belangrijk omdat zuurstof direct de weefselfunctie beïnvloedt. Om te weten hoe een orgaan normaal gaat gedragen, moeten "normale" zuurstofniveaus in het organ-on-a-chip gehandhaafd worden tijdens experimenten. Dit betekent het monitoren van zuurstofniveaus niet alleen in de directe omgeving van het organ-on-a-chip maar ook in het weefsel zelf.

Fosforerende gel biosensor

Om deze uitdagingen te tegemoetkomen, is een biosensor ontwikkeld die onderzoekers in staat stelt zuurstofniveaus in realtime te volgen in organ-on-a-chip systemen, wat het mogelijk maakt om te waarborgen dat dergelijke systemen de functie van echte organen nauwkeuriger nabootsen. Dit is essentieel als organen-op-een-chip hun potentieel willen bereiken in toepassingen zoals geneesmiddel- en toxiciteitstesten.

De sleutel tot de biosensor is een fosforerend gel dat infrarood licht uitzendt na blootstelling aan infrarood licht. Maar de vertragingstijd tussen wanneer het gel blootgesteld wordt aan licht en wanneer het de weerkaatsende flits uitzendt, varieert, afhankelijk van de hoeveelheid zuurstof in zijn omgeving. Hoe meer zuurstof er is, hoe korter de vertragingstijd. Deze vertragingstijden duren slechts microseconden, maar door die tijden te monitoren, kunnen onderzoekers de zuurstofconcentratie meten tot tienden van een percent.

Voor de biosensor te laten werken, moet een dunne laag van het gel geïntegreerd worden in een organ-on-a-chip tijdens de fabricage. Omdat infrarood licht door weefsel heen kan, wordt een "lezer" — die infrarood licht uitzendt en de weerkaatsende flits van het fosforerende gel meet — gebruikt om zuurstofniveaus in het weefsel herhaaldelijk te monitoren, met vertragingstijden gemeten in microseconden.

Testresultaten en volgende stappen

De biosensor is met succes getest in driedimensionale scaffolds met humane borstepitheelecellen om zowel gezonde als kankerachtige weefsels te modelleren. De volgende stap is het integreren ervan in een systeem dat automatisch aanpassingen maakt om de gewenste zuurstofconcentratie te handhaven.