Biosensor maakt realtime zuurstofbewaking mogelijk voor Organs-On-A-Chip

Het organ-on-a-chip-concept creëert kleinschalige biologische structuren die een specifieke orgaanfunctie nabootsen, zoals het overbrengen van zuurstof uit de lucht naar de bloedbaan op dezelfde manier als een long. Het doel is om deze organen-op-een-chip - ook wel microfysiologische modellen genoemd - te gebruiken om high-throughput-tests te versnellen om de toxiciteit te beoordelen of om de effectiviteit van nieuwe medicijnen te evalueren.

Maar hoewel orgel-op-een-chip-onderzoek de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang heeft geboekt, is een obstakel voor het gebruik van deze structuren het gebrek aan hulpmiddelen die zijn ontworpen om daadwerkelijk gegevens uit het systeem te halen. Bestaande manieren om gegevens te verzamelen zijn het uitvoeren van een bioassay, histologie of het gebruik van een andere techniek waarbij het weefsel wordt vernietigd. Wat nodig is, zijn tools die een middel bieden om gegevens in realtime te verzamelen zonder de werking van het systeem te beïnvloeden.

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

Om deze uitdagingen aan te gaan, is een biosensor ontwikkeld waarmee onderzoekers in realtime zuurstofniveaus kunnen volgen in organ-on-a-chip-systemen, waardoor het mogelijk wordt om ervoor te zorgen dat dergelijke systemen de functie van echte organen beter nabootsen. Dit is essentieel als organen-op-een-chip hun potentieel willen bereiken in toepassingen zoals het testen van geneesmiddelen en toxiciteit.

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

Om de biosensor te laten werken, moet tijdens de fabricage een dunne laag van de gel in een organ-on-a-chip worden opgenomen. Omdat infrarood licht door weefsel kan gaan, wordt een "lezer" - die infrarood licht uitzendt en de echo van de flits van de fosforescerende gel meet - gebruikt om de zuurstofniveaus in het weefsel herhaaldelijk te controleren, met vertragingstijden gemeten in de microseconden.

De biosensor is met succes getest in driedimensionale steigers met menselijke borstepitheelcellen om zowel gezond als kankerachtig weefsel te modelleren. De volgende stap is om het op te nemen in een systeem dat automatisch aanpassingen maakt om de gewenste zuurstofconcentratie te behouden.