Biosensor ermöglicht Echtzeit-Sauerstoffüberwachung für Organe-auf-einem-Chip

Das Organ-on-a-Chip-Konzept schafft kleine biologische Strukturen, die eine bestimmte Organfunktion nachahmen, wie z. B. die Übertragung von Sauerstoff aus der Luft in den Blutkreislauf auf die gleiche Weise wie eine Lunge. Ziel ist es, diese Organe auf einem Chip – auch mikrophysiologische Modelle genannt – zu verwenden, um Hochdurchsatztests zur Bewertung der Toxizität oder zur Bewertung der Wirksamkeit neuer Medikamente zu beschleunigen.

Aber obwohl die Forschung zu Organen auf einem Chip in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat, ist ein Hindernis für die Verwendung dieser Strukturen das Fehlen von Werkzeugen, die dafür ausgelegt sind, Daten tatsächlich aus dem System abzurufen. Existierende Methoden zum Sammeln von Daten sind die Durchführung eines Bioassays, Histologie oder die Verwendung einer anderen Technik, bei der das Gewebe zerstört wird. Was benötigt wird, sind Tools, mit denen Daten in Echtzeit erfasst werden können, ohne den Systembetrieb zu beeinträchtigen.

Der Sauerstoffgehalt ist im ganzen Körper sehr unterschiedlich; Beispielsweise hat das Lungengewebe eines gesunden Erwachsenen eine Sauerstoffkonzentration von etwa 15 Prozent, während die innere Auskleidung des Darms etwa 0 Prozent beträgt. Dies ist wichtig, da Sauerstoff die Gewebefunktion direkt beeinflusst. Um zu wissen, wie sich ein Organ normal verhalten wird, müssen bei der Durchführung von Experimenten „normale“ Sauerstoffwerte im Organ-on-a-Chip aufrechterhalten werden. Das bedeutet, dass der Sauerstoffgehalt nicht nur in der unmittelbaren Umgebung des Organ-on-a-Chip, sondern auch in seinem Gewebe überwacht wird.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde ein Biosensor entwickelt, der es Forschern ermöglicht, den Sauerstoffgehalt in Organ-on-a-Chip-Systemen in Echtzeit zu verfolgen, wodurch sichergestellt werden kann, dass solche Systeme die Funktion echter Organe besser nachahmen. Dies ist von entscheidender Bedeutung, wenn Organe auf einem Chip hoffen, ihr Potenzial in Anwendungen wie Arzneimittel- und Toxizitätstests auszuschöpfen.

Der Schlüssel zum Biosensor ist ein phosphoreszierendes Gel, das Infrarotlicht emittiert, nachdem es Infrarotlicht ausgesetzt wurde. Aber die Verzögerungszeit zwischen der Lichteinwirkung auf das Gel und der Abgabe des Echoblitzes variiert je nach Sauerstoffgehalt in seiner Umgebung. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto kürzer ist die Verzögerungszeit. Diese Verzögerungszeiten dauern nur Mikrosekunden, aber durch Überwachung dieser Zeiten können Forscher die Sauerstoffkonzentration bis auf Zehntelprozent genau messen.

Damit der Biosensor funktioniert, muss während seiner Herstellung eine dünne Schicht des Gels in ein Organ-on-a-Chip eingebaut werden. Da Infrarotlicht Gewebe durchdringen kann, wird ein „Lesegerät“ – das Infrarotlicht aussendet und den Echoblitz des phosphoreszierenden Gels misst – verwendet, um den Sauerstoffgehalt im Gewebe wiederholt zu überwachen, wobei Verzögerungszeiten im Mikrosekundenbereich gemessen werden.

Der Biosensor wurde erfolgreich in dreidimensionalen Gerüsten unter Verwendung menschlicher Brustepithelzellen getestet, um sowohl gesundes als auch kanzeröses Gewebe zu modellieren. Der nächste Schritt besteht darin, es in ein System zu integrieren, das automatisch Anpassungen vornimmt, um die gewünschte Sauerstoffkonzentration aufrechtzuerhalten.