p Algum dia, médicos gostariam de cultivar membros e outros tecidos corporais para soldados que perderam armas em batalha, crianças que precisam de um novo coração ou fígado, e muitas outras pessoas com necessidades críticas. Hoje, profissionais médicos podem enxertar células de um paciente, depositá-los em um andaime de tecido, e insira o andaime no corpo para estimular o crescimento do osso, cartilagem e outros tecidos especializados. Mas os pesquisadores ainda estão trabalhando para construir órgãos complexos que possam ser implantados em pacientes. p Cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) estão apoiando este campo de pesquisa desenvolvendo um novo tipo promissor de sensor baseado em luz para estudar o crescimento de tecido em laboratório.

p O trabalho de prova de conceito da equipe do NIST, publicado hoje em Sensores e Atuadores B , demonstra um pequeno sensor que usa um sinal baseado em luz para medir o pH, a unidade de medida de acidez, uma propriedade importante em estudos de crescimento celular. O mesmo projeto básico pode ser usado para medir outras qualidades, como a presença de cálcio, fator de crescimento celular e certos anticorpos.

p Ao contrário dos sensores convencionais, este método de medição pode ser usado para monitorar o ambiente em uma cultura de células a longo prazo - por semanas a fio - sem ter que perturbar as células regularmente para calibrar os instrumentos de detecção. Observando as propriedades do tecido em tempo real conforme elas mudam lentamente, ao longo de dias ou semanas, poderia beneficiar muito os estudos de engenharia de tecidos para fazer crescer os dentes, tecido do coração, tecido ósseo e muito mais, disse o químico do NIST Zeeshan Ahmed.

p "Queremos fazer sensores que possam ser colocados dentro do tecido em crescimento para fornecer aos pesquisadores informações quantitativas, "Ahmed disse." O tecido está realmente crescendo? É saudável? Se você crescer um osso, tem as propriedades mecânicas corretas ou é muito fraco para suportar um corpo? "

p O trabalho também pode ter benefícios além da engenharia de tecidos, para estudar a progressão de doenças como o câncer.

p "O que esses sensores podem fornecer às pessoas são informações em tempo real sobre o crescimento do tecido e a progressão da doença, "disse o químico da American University e pesquisador convidado do NIST, Matthew Hartings. Os sensores convencionais fornecem aos pesquisadores uma série de instantâneos sem mostrar a eles o caminho entre esses pontos, Hartings disse. Mas os sensores fotônicos podem fornecer aos cientistas informações contínuas, o equivalente a um aplicativo de navegação GPS para doenças.

p "Queremos fornecer aos pesquisadores um mapa detalhado das mudanças incrementais que acontecem à medida que o tecido cresce de maneira saudável ou fica doente, "Disse Hartings." Uma vez que os pesquisadores conhecem as 'ruas' que uma doença está tomando, então, eles podem prevenir ou apoiar melhor as mudanças que estão acontecendo "no corpo do paciente.

p Um problema para resolver

p As medições de pH são uma parte vital dos estudos de engenharia de tecidos. Conforme as células crescem, seu ambiente se torna naturalmente mais ácido. Se o ambiente se tornar muito ácido - ou muito básico - as células morrerão. Os cientistas medem o pH em uma escala de 0 (muito ácido) a 14 (muito básico), com um ambiente ideal para a maioria das células em uma faixa estreita em torno de um pH de 7.

p Os instrumentos comerciais de pH são altamente precisos, mas instáveis, o que significa que requerem calibrações frequentes para garantir leituras precisas no dia a dia. Sem calibração, esses medidores de pH convencionais perdem até 0,1 unidades de pH de precisão diariamente. Mas os estudos de engenharia de tecidos demoram cerca de semanas. Uma cultura de células-tronco pode precisar ser cultivada por quase um mês antes de se transformarem em osso.

p "Um incremento de 0,1 pH é significativo, "Ahmed disse." Se o seu valor de pH mudar em 1, você mata as células. Se depois de alguns dias eu não puder confiar em nada sobre minha medição de pH, então não vou usar esse método de medição. "

p Por outro lado, se os pesquisadores perturbarem as células em crescimento toda vez que tiverem que medir o pH da cultura celular, então os cientistas estão introduzindo outro tipo de incerteza em suas medições, uma vez que estão alterando o ambiente das células.

p O que é necessário para este tipo de pesquisa, Ahmed disse, é um sistema de medição que pode ficar dentro de uma incubadora com as células em seu meio de cultura e não precisa ser removido ou calibrado por semanas a fio.

p Admiráveis ​​novos sensores

p Por anos, Ahmed e sua equipe têm desenvolvido sensores fotônicos, pequenos dispositivos leves que usam sinais ópticos para medir uma gama de qualidades, incluindo temperatura, pressão e umidade.

p Alguns desses novos dispositivos estão disponíveis comercialmente, fibras ópticas flexíveis gravadas com uma grade de Bragg, uma espécie de filtro de luz que reflete certos comprimentos de onda e permite a passagem de outros. Mudanças na temperatura ou pressão alteram os comprimentos de onda da luz que podem passar pela grade.

p Para adaptar seus dispositivos fotônicos a uma medição de pH, Ahmed e Hartings confiaram em um conceito bem conhecido na ciência:quando um objeto absorve luz, a energia absorvida "tem que ir para algum lugar, "Ahmed disse, e em muitos casos essa energia se transforma em calor.

p "Para cada fóton individual, o calor produzido é uma quantidade muito pequena de energia, "Disse Ahmed." Mas se você tem muitos fótons entrando, e você tem muitas moléculas, torna-se uma mudança apreciável no calor. "

p Para sua demonstração, os cientistas usaram uma substância que muda de cor em resposta a mudanças no pH, um material que muitas pessoas podem se lembrar das aulas de biologia:pó de suco de repolho roxo. O suco de repolho muda sua cor de tons de roxo escuro para rosa claro, dependendo da acidez da solução. Essa mudança na cor pode ser detectada pelos sensores fotônicos de temperatura de Ahmed.

p Os pesquisadores encheram uma placa de Petri com a solução de suco de repolho. Uma fibra óptica foi posicionada acima do prato. Ele foi conectado a um ponteiro laser e iluminou a amostra. Uma segunda fibra óptica foi fisicamente incorporada no líquido. Essa segunda fibra continha a grade de Bragg e funcionava como sensor de temperatura. A equipe de Ahmed controlou o pH da solução manualmente.

p Para fazer uma medição, os pesquisadores lançaram uma cor de luz - como o vermelho - na amostra de cima. O suco de repolho absorveu a luz vermelha em vários graus com base em sua cor, que dependia do pH da solução naquele momento. A fibra do termômetro fotônico detectou essas pequenas mudanças no calor do suco. Uma mudança na temperatura altera os comprimentos de onda da luz que podem passar pela grade de Bragg da fibra.

p Próximo, os pesquisadores colocaram uma segunda cor de luz - como o verde - no líquido, e repetiu o processo.

p Ao comparar quanto calor foi gerado por cada cor de luz, os pesquisadores puderam determinar a cor exata do suco de repolho naquele momento, e isso disse a eles o pH.

p "Literalmente dissemos, 'Podemos ligar e desligar dois ponteiros de laser por alguns minutos e ver se podemos transformá-los em um medidor de pH?', "Ahmed disse." E fomos capazes de mostrar que funciona em uma ampla gama, "de um pH de 4 a um pH de 9 ou 10.

p O trabalho em andamento mostra que as medições fotônicas de pH são precisas em mais ou menos 0,13 unidades de pH e são estáveis ​​por pelo menos três semanas, muito mais tempo do que as medições convencionais.

p Além do suco de repolho

p Os pesquisadores dizem que, de acordo com seus colaboradores da engenharia de tecidos, os novos sensores fotônicos podem fornecer informações úteis para uma gama de sistemas biológicos em estudo, particularmente o crescimento das células do coração e dos ossos.

p Para a próxima rodada de experimentos, já em andamento, os pesquisadores do NIST estão usando outro corante sensível ao pH chamado vermelho de fenol. Além disso, eles estão trabalhando para encapsular o corante em um revestimento plástico ao redor da própria fibra, de modo que não interaja com o meio celular. A equipe também está conduzindo seu primeiro teste do sistema em uma cultura celular real, com a ajuda de colegas do NIST especializados em engenharia de tecidos.

p Os planos futuros incluem medir quantidades além do pH, o que simplesmente exigiria trocar o vermelho de fenol por um corante diferente, sensível a qualquer propriedade que os pesquisadores desejem medir.

p E muito mais no futuro, Ahmed espera que o esquema de medição possa ser usado para monitorar o crescimento de tecido no corpo de uma pessoa real.

p "O objetivo de longo prazo é ser capaz de colocar dispositivos implantáveis ​​em pessoas onde você está tentando desenvolver ossos e músculos, e então, esperançosamente, com o tempo, os sensores poderiam ser projetados para se dissolver e você nem teria que voltar e removê-los, "Ahmed disse." Esse é o sonho final. Mas os primeiros passos de bebê. "