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新型生物传感器将实时监测器官芯片的含氧量

导读: 一款新型生物传感器允许研究人员实时跟踪“器官芯片”系统中的含氧量,从而可以确保这些系统更真实地模仿器官功能。如果希望实现器官芯片在药物和毒性测试等应用,这一点至关重要。

据麦姆斯咨询报道,一款新型生物传感器允许研究人员实时跟踪“器官芯片”系统中的含氧量,从而可以确保这些系统更真实地模仿器官功能。如果希望实现器官芯片在药物和毒性测试等应用,这一点至关重要。该款生物传感器由北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员开发。

十多年来,器官芯片的概念一直受到研究人员的关注。这个想法是创造模仿特定器官功能的小型生物结构,例如像肺一样将氧气从空气中转移到血液中。目标是使用这些器官芯片,也称为微生理模型,加速对毒性或新药有效性的高通量测试。

但是,虽然近年来芯片器官研究取得了重大进展,但使用这种方式的主要障碍是缺乏用于从系统中实际检索数据的工具。

“在大多数情况下,收集芯片器官数据现有的唯一方法是利用生物测定、组织学,或使用其他涉及破坏组织的技术,”这款新型生物传感器的论文作者Michael Daniele谈道。Daniele是北卡罗来纳州立大学电气工程系助理教授,同时在北卡罗来纳大学教堂山分校生物医学工程联合系任职。

“我们真正需要的是能够实时收集数据而不影响系统运行的工具”Daniele说,“这能确保我们能够持续收集和分析数据,并对正在发生的情况提供更丰富的洞察。我们研发的新型生物传感器就是为上述要求而诞生,至少对含氧量而言是这样的。”

人体各处的含氧量差异很大。例如,在健康成年人的肺组织中氧含量约为15%,而肠道内壁几乎为0%。氧气含量直接影响组织功能,这很重要。如果您想知道器官如何正常运作,您需要在实验时保持芯片器官的“正常”水平的氧含量。

“实际上,我们需要一种方法来实时监测氧含量,不仅在器官芯片的现场环境中,还包括器官芯片所在的组织本身。现在我们有办法做到了。”Daniele说。

这款生物传感器的秘诀在于磷光凝胶,暴露于红外光后能发射出红外光,可以把它想象成一种回声闪光。不过,凝胶暴露于光线和其发出回声闪光的滞后时间会随着其环境中氧气含量的变化而变化。氧气越多,滞后时间越短。滞后时间持续仅仅几微秒,但通过监测时间,研究人员可以测量低至百分之零点几的氧气浓度。

为确保生物传感器的正常工作,研究人员必须在制造过程中将一层薄薄的凝胶加入到芯片中。由于红外光可以通过组织,研究人员可以使用“读取器”,用于发射红外光并测量磷光凝胶的回声闪光,通过测量到微秒级的延时,反复监测组织中的含氧量。

研究团队已经使用人类乳腺上皮细胞来建模健康组织和癌组织,并在三维支架中进行了成功的测试。

“我们接下来的步骤之一是将生物传感器整合到系统中,该系统可以自动进行调整,以维持器官芯片所需的氧气浓度。”Daniele说,“我们也希望与其他组织工程研究人员和产业界合作。我们认为,我们研发的生物传感器能促进器官芯片发展。”

该论文题目为Integrated phosphorescence-based photonic biosensor(iPOB) for monitoring oxygen levels in 3D cell culture systems,已发表在期刊Biosensors and Bioelectronics上。

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