Un nuovo biosensore consente ai ricercatori di monitorare i livelli di ossigeno in tempo reale in sistemi "organ-on-a-chip", rendendo possibile garantire che tali sistemi imitino più da vicino la funzione degli organi reali. Questo è essenziale se gli organi su un chip sperano di raggiungere il loro potenziale in applicazioni come i test sui farmaci e sulla tossicità.

Il concetto di organ-on-a-chip ha raccolto una notevole attenzione da parte dei ricercatori per circa un decennio. L'idea è quella di creare su piccola scala, strutture biologiche che imitano una specifica funzione d'organo, come il trasferimento di ossigeno dall'aria nel flusso sanguigno nello stesso modo in cui lo fa un polmone. L'obiettivo è utilizzare questi organi su chip, chiamati anche modelli microfisiologici, per accelerare i test ad alto rendimento per valutare la tossicità o per valutare l'efficacia di nuovi farmaci.

Ma mentre la ricerca organ-on-a-chip ha fatto progressi significativi negli ultimi anni, un ostacolo all'utilizzo di queste strutture è la mancanza di strumenti atti a recuperare effettivamente i dati dal sistema.

"Per la maggior parte, gli unici modi esistenti per raccogliere dati su ciò che sta accadendo in un organo su chip sono condurre un saggio biologico, istologia, o utilizzare qualche altra tecnica che comporta la distruzione del tessuto, " dice Michele Daniele, autore corrispondente di un articolo sul nuovo biosensore. Daniele è un assistente professore di ingegneria elettrica presso la North Carolina State University e presso il Joint Department of Biomedical Engineering presso NC State e l'Università del North Carolina, Collina della Cappella.

"Ciò di cui abbiamo veramente bisogno sono strumenti che forniscano un mezzo per raccogliere dati in tempo reale senza influire sul funzionamento del sistema, " dice Daniele. "Ciò ci consentirebbe di raccogliere e analizzare i dati in modo continuo, e offrono approfondimenti più approfonditi su ciò che sta accadendo. Il nostro nuovo biosensore fa esattamente questo, almeno per i livelli di ossigeno."

I livelli di ossigeno variano ampiamente in tutto il corpo. Per esempio, in un adulto sano, il tessuto polmonare ha una concentrazione di ossigeno di circa il 15%, mentre il rivestimento interno dell'intestino è intorno allo 0 percento. Questo è importante perché l'ossigeno influisce direttamente sulla funzione dei tessuti. Se vuoi sapere come si comporterà normalmente un organo, devi mantenere livelli di ossigeno "normali" nel tuo organo su chip quando conduci esperimenti.

"Ciò che questo significa in termini pratici è che abbiamo bisogno di un modo per monitorare i livelli di ossigeno non solo nell'ambiente immediato dell'organ-on-a-chip, ma nel tessuto stesso dell'organo su un chip, Dice Daniele. “E dobbiamo poterlo fare in tempo reale. Ora abbiamo un modo per farlo".

La chiave del biosensore è un gel fosforescente che emette luce infrarossa dopo essere stato esposto alla luce infrarossa. Pensalo come un lampo echeggiante. Ma il tempo di ritardo tra quando il gel è esposto alla luce e quando emette il lampo di eco varia, a seconda della quantità di ossigeno nel suo ambiente. Più ossigeno c'è, più breve è il tempo di ritardo. Questi tempi di ritardo durano solo microsecondi, ma monitorando quei tempi, i ricercatori possono misurare la concentrazione di ossigeno fino a decimi di punto percentuale.

Affinché il biosensore funzioni, i ricercatori devono incorporare un sottile strato di gel in un organo su un chip durante la sua fabbricazione. Poiché la luce infrarossa può passare attraverso i tessuti, i ricercatori possono utilizzare un "lettore, che emette luce infrarossa e misura l'eco del lampo dal gel fosforescente, per monitorare ripetutamente i livelli di ossigeno nel tessuto, con tempi di ritardo misurati in microsecondi.

Il team di ricerca che ha sviluppato il biosensore lo ha testato con successo in scaffold tridimensionali utilizzando cellule epiteliali del seno umano per modellare sia il tessuto sano che quello canceroso.

"Uno dei nostri prossimi passi è quello di incorporare il biosensore in un sistema che effettua automaticamente le regolazioni per mantenere la concentrazione di ossigeno desiderata nell'organ-on-a-chip, "Daniele dice. "Speriamo anche di lavorare con altri ricercatori e industria dell'ingegneria dei tessuti. Riteniamo che il nostro biosensore potrebbe essere uno strumento prezioso per contribuire a far progredire lo sviluppo di organi su chip come validi strumenti di ricerca".

La carta, "Biosensore fotonico basato sulla fosforescenza integrato (iPOB) per il monitoraggio dei livelli di ossigeno nei sistemi di coltura cellulare 3D, " è pubblicato sulla rivista Biosensori e Bioelettronica .