un giorno, i medici vorrebbero far crescere arti e altri tessuti corporei per i soldati che hanno perso le braccia in battaglia, bambini che hanno bisogno di un nuovo cuore o fegato, e molte altre persone con bisogni critici. Oggi, i professionisti medici possono innestare cellule da un paziente, depositarli su un'impalcatura di tessuti, e inserire l'impalcatura nel corpo per favorire la crescita dell'osso, cartilagine e altri tessuti specializzati. Ma i ricercatori stanno ancora lavorando per costruire organi complessi che possono essere impiantati nei pazienti.

Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) stanno supportando questo campo di ricerca sviluppando un nuovo promettente tipo di sensore basato sulla luce per studiare la crescita dei tessuti in laboratorio.

Il lavoro di prova del team del NIST, pubblicato oggi in Sensori e attuatori B , mostra un piccolo sensore che utilizza un segnale basato sulla luce per misurare il pH, l'unità di misura dell'acidità, una proprietà importante negli studi sulla crescita cellulare. Lo stesso disegno di base potrebbe essere utilizzato per misurare altre qualità come la presenza di calcio, fattore di crescita cellulare e alcuni anticorpi.

A differenza dei sensori convenzionali, questo metodo di misurazione potrebbe essere utilizzato per monitorare l'ambiente in una coltura cellulare a lungo termine, per settimane alla volta, senza dover disturbare regolarmente le cellule per calibrare gli strumenti di rilevamento. Osservare le proprietà del tessuto in tempo reale mentre cambiano lentamente, per giorni o settimane, potrebbe avvantaggiare notevolmente gli studi di ingegneria dei tessuti per far crescere i denti, tessuto cardiaco, tessuto osseo e altro, ha detto il chimico del NIST Zeeshan Ahmed.

"Vogliamo realizzare sensori che possano essere inseriti all'interno del tessuto in crescita per fornire ai ricercatori informazioni quantitative, " Ahmed ha detto. "Il tessuto sta davvero crescendo? È sano? Se ti fai crescere un osso, ha le giuste proprietà meccaniche o è troppo debole per sostenere un corpo?"

Il lavoro potrebbe avere benefici anche oltre l'ingegneria dei tessuti, nello studio della progressione di malattie come il cancro.

"Ciò che questi sensori potrebbero fornire alle persone sono informazioni in tempo reale sulla crescita dei tessuti e sulla progressione della malattia, " ha affermato Matthew Hartings, chimico dell'Università americana e ricercatore ospite del NIST. I sensori convenzionali forniscono ai ricercatori una serie di istantanee senza mostrare loro il percorso tra quei punti, ha detto Harting. Ma i sensori fotonici potrebbero fornire agli scienziati informazioni continue, l'equivalente di un'app di navigazione GPS per le malattie.

"Vogliamo fornire ai ricercatori una mappa dettagliata dei cambiamenti incrementali che si verificano quando il tessuto cresce in modo sano o si ammala, " ha detto Hartings. "Una volta che i ricercatori conoscono le 'strade' che sta prendendo una malattia, allora possono prevenire o supportare meglio i cambiamenti che stanno avvenendo" nel corpo di un paziente.

Un problema da risolvere

Le misurazioni del pH sono una parte vitale degli studi di ingegneria dei tessuti. Man mano che le cellule crescono, il loro ambiente diventa naturalmente più acido. Se l'ambiente diventa troppo acido o troppo basico, le cellule moriranno. Gli scienziati misurano il pH su una scala da 0 (molto acido) a 14 (molto basico), con un ambiente ideale per la maggior parte delle cellule in un intervallo ristretto intorno a un pH di 7.

Gli strumenti di pH commerciali sono altamente accurati ma instabili, il che significa che richiedono calibrazioni frequenti per garantire letture accurate giorno dopo giorno. Senza calibrazione, questi misuratori di pH convenzionali perdono giornalmente fino a 0,1 unità di pH di precisione. Ma gli studi di ingegneria dei tessuti si svolgono nell'ordine delle settimane. Potrebbe essere necessario coltivare una coltura di cellule staminali per quasi un mese prima che si trasformino in ossa.

"Un incremento di 0,1 pH è significativo, " ha detto Ahmed. "Se il tuo valore di pH cambia di 1, uccidi le cellule. Se dopo qualche giorno non posso fidarmi di nulla della mia misurazione del pH, allora non userò quel metodo di misurazione."

D'altra parte, se i ricercatori disturbano le cellule in crescita ogni volta che devono misurare il pH della coltura cellulare, poi gli scienziati stanno introducendo un altro tipo di incertezza nelle loro misurazioni, poiché stanno alterando l'ambiente delle cellule.

Ciò che è necessario per questo tipo di ricerca, Ahmed ha detto, è un sistema di misurazione che può rimanere all'interno di un incubatore con le cellule nel loro mezzo di coltura e non ha bisogno di essere rimosso o calibrato per settimane alla volta.

Nuovi sensori coraggiosi

Per anni, Ahmed e il suo team hanno sviluppato sensori fotonici, piccoli dispositivi leggeri che utilizzano segnali ottici per misurare una gamma di qualità tra cui temperatura, pressione e umidità.

Alcuni di questi nuovi dispositivi utilizzano disponibili in commercio, fibre ottiche flessibili incise con un reticolo di Bragg, una sorta di filtro per la luce che riflette determinate lunghezze d'onda e consente il passaggio di altre. Le variazioni di temperatura o pressione alterano le lunghezze d'onda della luce che possono passare attraverso il reticolo.

Per adattare i loro dispositivi fotonici a una misurazione del pH, Ahmed e Hartings si sono basati su un concetto ben noto nella scienza:quando un oggetto assorbe la luce, l'energia assorbita "deve andare da qualche parte, "Ahmed ha detto, e in molti casi quell'energia si trasforma in calore.

"Per ogni singolo fotone, il calore prodotto è una quantità molto piccola di energia, " ha detto Ahmed. "Ma se hai molti fotoni in arrivo, e hai un sacco di molecole, diventa un apprezzabile cambiamento di calore."

Per la loro dimostrazione, gli scienziati hanno usato una sostanza che cambia colore in risposta ai cambiamenti di pH, un materiale che molte persone ricorderanno dalle lezioni di biologia:il succo di cavolo rosso in polvere. Il succo di cavolo cambia colore da sfumature di viola scuro a rosa chiaro a seconda dell'acidità di una soluzione. Questo cambiamento di colore può essere rilevato dai sensori di temperatura fotonici di Ahmed.

I ricercatori hanno riempito una capsula di Petri con la soluzione di succo di cavolo. Una fibra ottica è stata posizionata sopra la parabola. È stato collegato a un puntatore laser e ha fatto brillare la luce nel campione. Una seconda fibra ottica è stata fisicamente incorporata nel liquido. Questa seconda fibra conteneva il reticolo di Bragg e fungeva da sensore di temperatura. Il team di Ahmed ha controllato manualmente il pH della soluzione.

Per effettuare una misurazione, i ricercatori hanno proiettato un colore di luce, come il rosso, nel campione dall'alto. Il succo di cavolo ha assorbito la luce rossa in misura diversa in base al suo colore, che dipendeva dal pH della soluzione in quel momento. La fibra del termometro fotonico ha rilevato questi leggeri cambiamenti nel calore del succo. Un cambiamento di temperatura modifica le lunghezze d'onda della luce che possono passare attraverso il reticolo di Bragg della fibra.

Prossimo, i ricercatori hanno illuminato un secondo colore di luce, come il verde, nel liquido, e ripetuto il processo.

Confrontando la quantità di calore generata da ciascun colore della luce, i ricercatori potrebbero determinare il colore esatto del succo di cavolo in quel momento, e questo ha detto loro il pH.

"Letteralmente abbiamo detto, "Possiamo accendere e spegnere due puntatori laser per qualche minuto e vedere se riusciamo a trasformarli in un pHmetro?", " Ahmed ha detto. "E siamo stati in grado di dimostrare che funziona su una vasta gamma, " da un pH di 4 a un pH di 9 o 10.

Il lavoro in corso mostra che le misurazioni del pH fotonico sono accurate fino a più o meno 0,13 unità di pH e sono stabili per almeno tre settimane, molto più lungo delle misurazioni convenzionali.

Oltre il succo di cavolo

I ricercatori affermano che secondo i loro collaboratori di ingegneria dei tessuti, i nuovi sensori fotonici potrebbero fornire informazioni utili per una serie di sistemi biologici oggetto di studio, in particolare la crescita delle cellule cardiache e ossee.

Per il loro prossimo ciclo di esperimenti, già in corso, i ricercatori del NIST stanno usando un altro colorante sensibile al pH chiamato rosso fenolo. Inoltre, stanno lavorando per incapsulare il colorante in un rivestimento di plastica attorno alla fibra stessa in modo che non interagisca con il mezzo cellulare. Il team sta anche conducendo il suo primo test del sistema in una vera coltura cellulare, con l'aiuto dei colleghi del NIST specializzati in ingegneria dei tessuti.

I piani futuri includono la misurazione di quantità oltre il pH, il che richiederebbe semplicemente di sostituire il rosso fenolo con un colorante diverso sensibile a qualunque proprietà i ricercatori vogliano misurare.

E molto più avanti in futuro, Ahmed spera che lo schema di misurazione possa essere potenzialmente utilizzato per monitorare la crescita dei tessuti nel corpo di una persona reale.

"L'obiettivo a lungo termine è essere in grado di mettere dispositivi impiantabili nelle persone in cui stai cercando di far crescere ossa e muscoli, e poi si spera che nel tempo i sensori possano essere progettati per dissolversi e non dovresti nemmeno tornare indietro e rimuoverli, " Ahmed ha detto. "Questo è il sogno finale. Ma prima i piccoli passi".