據(jù)麥姆斯咨詢報道，一款新型生物傳感器允許研究人員實時跟蹤“器官芯片”系統(tǒng)中的含氧量，從而可以確保這些系統(tǒng)更真實地模仿器官功能。如果希望實現(xiàn)器官芯片在藥物和毒性測試等應用，這一點至關重要。該款生物傳感器由北卡羅來納州立大學和北卡羅來納大學教堂山分校的研究人員開發(fā)。
十多年來，器官芯片的概念一直受到研究人員的關注。這個想法是創(chuàng)造模仿特定器官功能的小型生物結構，例如像肺一樣將氧氣從空氣中轉移到血液中。目標是使用這些器官芯片，也稱為微生理模型，加速對毒性或新藥有效性的高通量測試。
但是，雖然近年來芯片器官研究取得了重大進展，但使用這種方式的主要障礙是缺乏用于從系統(tǒng)中實際檢索數(shù)據(jù)的工具。
“在大多數(shù)情況下，收集芯片器官數(shù)據(jù)現(xiàn)有的唯一方法是利用生物測定、組織學，或使用其他涉及破壞組織的技術，”這款新型生物傳感器的論文作者Michael Daniele談道。Daniele是北卡羅來納州立大學電氣工程系助理教授，同時在北卡羅來納大學教堂山分校生物醫(yī)學工程聯(lián)合系任職。
“我們真正需要的是能夠實時收集數(shù)據(jù)而不影響系統(tǒng)運行的工具”Daniele說，“這能確保我們能夠持續(xù)收集和分析數(shù)據(jù)，并對正在發(fā)生的情況提供更豐富的洞察。我們研發(fā)的新型生物傳感器就是為上述要求而誕生，至少對含氧量而言是這樣的。”
人體各處的含氧量差異很大。例如，在健康成年人的肺組織中氧含量約為15%，而腸道內(nèi)壁幾乎為0%。氧氣含量直接影響組織功能，這很重要。如果您想知道器官如何正常運作，您需要在實驗時保持芯片器官的“正常”水平的氧含量。
“實際上，我們需要一種方法來實時監(jiān)測氧含量，不僅在器官芯片的現(xiàn)場環(huán)境中，還包括器官芯片所在的組織本身。現(xiàn)在我們有辦法做到了。”Daniele說。
這款生物傳感器的秘訣在于磷光凝膠，暴露于紅外光后能發(fā)射出紅外光，可以把它想象成一種回聲閃光。不過，凝膠暴露于光線和其發(fā)出回聲閃光的滯后時間會隨著其環(huán)境中氧氣含量的變化而變化。氧氣越多，滯后時間越短。滯后時間持續(xù)僅僅幾微秒，但通過監(jiān)測時間，研究人員可以測量低至百分之零點幾的氧氣濃度。
為確保生物傳感器的正常工作，研究人員必須在制造過程中將一層薄薄的凝膠加入到芯片中。由于紅外光可以通過組織，研究人員可以使用“讀取器”，用于發(fā)射紅外光并測量磷光凝膠的回聲閃光，通過測量到微秒級的延時，反復監(jiān)測組織中的含氧量。
研究團隊已經(jīng)使用人類乳腺上皮細胞來建模健康組織和癌組織，并在三維支架中進行了成功的測試。
“我們接下來的步驟之一是將生物傳感器整合到系統(tǒng)中，該系統(tǒng)可以自動進行調(diào)整，以維持器官芯片所需的氧氣濃度。”Daniele說，“我們也希望與其他組織工程研究人員和產(chǎn)業(yè)界合作。我們認為，我們研發(fā)的生物傳感器能促進器官芯片發(fā)展。”
該論文題目為Integrated phosphorescence-based photonic biosensor（iPOB） for monitoring oxygen levels in 3D cell culture systems，已發(fā)表在期刊Biosensors and Bioelectronics上。
