Um novo biossensor permite aos pesquisadores rastrear os níveis de oxigênio em tempo real em sistemas "órgão-em-um-chip", tornando possível assegurar que tais sistemas imitem mais de perto a função de órgãos reais. Isso é essencial se os órgãos em um chip esperam atingir seu potencial em aplicações como testes de drogas e toxicidade.

O conceito de órgão em um chip atraiu atenção significativa dos pesquisadores por cerca de uma década. A ideia é criar em pequena escala, estruturas biológicas que imitam a função de um órgão específico, como a transferência de oxigênio do ar para a corrente sanguínea da mesma forma que um pulmão. O objetivo é usar esses órgãos em um chip - também chamados de modelos microfisiológicos - para agilizar os testes de alto rendimento para avaliar a toxicidade ou para avaliar a eficácia de novos medicamentos.

Mas, embora a pesquisa de órgão em um chip tenha feito avanços significativos nos últimos anos, um obstáculo ao uso dessas estruturas é a falta de ferramentas projetadas para realmente recuperar dados do sistema.

"Em geral, as únicas maneiras existentes de coletar dados sobre o que está acontecendo em um órgão-em-um-chip são conduzindo um bioensaio, histologia, ou usar alguma outra técnica que envolva destruir o tecido, "diz Michael Daniele, autor correspondente de um artigo sobre o novo biossensor. Daniele é professora assistente de engenharia elétrica na North Carolina State University e no Joint Department of Biomedical Engineering da NC State e da University of North Carolina, Chapel Hill.

"O que realmente precisamos são ferramentas que forneçam um meio de coletar dados em tempo real sem afetar a operação do sistema, "Daniele diz." Isso nos permitiria coletar e analisar dados continuamente, e oferecem percepções mais ricas sobre o que está acontecendo. Nosso novo biossensor faz exatamente isso, pelo menos para os níveis de oxigênio. "

Os níveis de oxigênio variam amplamente em todo o corpo. Por exemplo, em um adulto saudável, o tecido pulmonar tem uma concentração de oxigênio de cerca de 15 por cento, enquanto o revestimento interno do intestino é de cerca de 0 por cento. Isso é importante porque o oxigênio afeta diretamente a função do tecido. Se você quiser saber como um órgão vai se comportar normalmente, você precisa manter os níveis de oxigênio "normais" em seu órgão em um chip ao conduzir experimentos.

"O que isso significa em termos práticos é que precisamos monitorar os níveis de oxigênio não apenas no ambiente imediato do órgão-em-um-chip, mas no próprio tecido do órgão em um chip, "Daniele diz." E precisamos ser capazes de fazer isso em tempo real. Agora temos uma maneira de fazer isso. "

A chave para o biossensor é um gel fosforescente que emite luz infravermelha após ser exposto à luz infravermelha. Pense nisso como um flash ecoante. Mas o intervalo de tempo entre o momento em que o gel é exposto à luz e quando emite o flash ecoante varia, dependendo da quantidade de oxigênio em seu ambiente. Quanto mais oxigênio houver, quanto mais curto for o tempo de espera. Esses tempos de atraso duram meros microssegundos, mas monitorando esses tempos, os pesquisadores podem medir a concentração de oxigênio até décimos de um por cento.

Para que o biossensor funcione, os pesquisadores devem incorporar uma fina camada do gel em um órgão-em-um-chip durante sua fabricação. Como a luz infravermelha pode passar pelo tecido, os pesquisadores podem usar um "leitor - que emite luz infravermelha e mede o flash ecoante do gel fosforescente - para monitorar os níveis de oxigênio no tecido repetidamente, com tempos de atraso medidos em microssegundos.

A equipe de pesquisa que desenvolveu o biossensor testou-o com sucesso em estruturas tridimensionais usando células epiteliais da mama humana para modelar tecido saudável e canceroso.

"Uma das nossas próximas etapas é incorporar o biossensor em um sistema que faz ajustes automaticamente para manter a concentração de oxigênio desejada no órgão em um chip, "Daniele diz." Também esperamos trabalhar com outros pesquisadores de engenharia de tecidos e da indústria. Acreditamos que nosso biossensor poderia ser um instrumento valioso para ajudar a avançar no desenvolvimento de órgãos em um chip como ferramentas de pesquisa viáveis. "

O papel, "Biossensor fotônico baseado em fosforescência integrado (iPOB) para monitorar os níveis de oxigênio em sistemas de cultura de células 3D, "é publicado na revista Biossensores e bioeletrônica .