Fortschrittlicher Biosensor ermöglicht Echtzeit-Sauerstoffüberwachung in Organ-on-a-Chip-Systemen

Das Organ-on-a-Chip-Konzept erstellt kleinmaßstäbliche biologische Strukturen, die eine spezifische Organfunktion nachahmen, wie den Sauerstofftransfer aus der Luft in den Blutstrom, wie es eine Lunge tut. Das Ziel ist es, diese Organe-on-a-Chip – auch mikrophysiologische Modelle genannt – zu nutzen, um Hochdurchsatz-Tests zu beschleunigen, um Toxizität zu bewerten oder die Wirksamkeit neuer Medikamente zu evaluieren.

Aber während die Organ-on-a-Chip-Forschung in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat, ist ein Hindernis für die Nutzung dieser Strukturen der Mangel an Werkzeugen, die tatsächlich dazu ausgelegt sind, Daten aus dem System abzurufen. Bestehende Methoden der Datenerfassung bestehen darin, einen Bioassay, Histologie oder eine andere Technik durchzuführen, die das Zerstören des Gewebes involviert. Was benötigt wird, sind Werkzeuge, die ein Mittel bieten, Daten in Echtzeit zu sammeln, ohne den Betrieb des Systems zu beeinträchtigen.

Sauerstoffwerte variieren im Körper stark; beispielsweise hat Lungengewebe bei einem gesunden Erwachsenen eine Sauerstoffkonzentration von etwa 15 Prozent, während die innere Auskleidung des Darms bei etwa 0 Prozent liegt. Dies ist wichtig, weil Sauerstoff die Gewebefunktion direkt beeinflusst. Um zu wissen, wie sich ein Organ normal verhalten wird, müssen „normale“ Sauerstoffwerte im Organ-on-a-Chip während Experimenten aufrechterhalten werden. Das bedeutet, Sauerstoffwerte nicht nur in der unmittelbaren Umgebung des Organ-on-a-Chip, sondern auch in seinem Gewebe zu überwachen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, wurde ein Biosensor entwickelt, der Forschern erlaubt, Sauerstoffwerte in Echtzeit in Organ-on-a-Chip-Systemen zu verfolgen, was es möglich macht, sicherzustellen, dass solche Systeme die Funktion echter Organe näher nachahmen. Dies ist essenziell, wenn Organe-on-a-Chip ihr Potenzial in Anwendungen wie Medikamenten- und Toxizitätstests erreichen sollen.

Der Schlüssel zum Biosensor ist ein phosphoreszierendes Gel, das Infrarotlicht emittiert, nachdem es Infrarotlicht ausgesetzt war. Aber die Verzögerungszeit zwischen der Exposition des Gels gegenüber Licht und der Emission des widerhallenden Blitzes variiert, abhängig von der Sauerstoffmenge in seiner Umgebung. Je mehr Sauerstoff vorhanden ist, desto kürzer die Verzögerungszeit. Diese Verzögerungszeiten dauern nur Mikrosekunden, aber indem man diese Zeiten überwacht, können Forscher die Sauerstoffkonzentration auf Zehntelprozent genau messen.

Damit der Biosensor funktioniert, muss eine dünne Schicht des Gels während der Fertigung in ein Organ-on-a-Chip eingebaut werden. Da Infrarotlicht durch Gewebe hindurchdringen kann, wird ein „Reader“ – der Infrarotlicht emittiert und den widerhallenden Blitz vom phosphoreszierenden Gel misst – verwendet, um Sauerstoffwerte im Gewebe wiederholt zu überwachen, mit Verzögerungszeiten im Mikrosekundenbereich.

Der Biosensor wurde erfolgreich in dreidimensionalen Gerüsten mit menschlichen Brustepithelzellen getestet, um sowohl gesundes als auch krebskrankes Gewebe zu modellieren. Der nächste Schritt ist die Integration in ein System, das automatisch Anpassungen vornimmt, um die gewünschte Sauerstoffkonzentration aufrechtzuerhalten.