可實時監(jiān)測含氧量的新型生物傳感器

近日，美國北卡羅萊納州立大學的研究人員采用一種新型生物傳感器，在“器官芯片”系統(tǒng)中實時監(jiān)測含氧量，使該系統(tǒng)能更加近似地模仿真實器官的功能。如果芯片器官希望發(fā)揮它們在藥物與毒性實驗方面的潛能，這項研究將是不可或缺的。

技術

近十年來，芯片器官這一概念受到了研究人員的極大關注。芯片器官其實就是創(chuàng)造出小型生物結構，模仿特定的器官功能，例如像肺一樣將氧氣從空氣中轉移到血流中。目標就是用這些器官芯片，也稱為微生理模型，推進高通量測試，從而評估毒性或者新藥物的有效性。

近些年來，雖然器官芯片的研究取得了顯著進展，但是使用這些結構的一個障礙就是：缺少實際從系統(tǒng)中檢索數(shù)據(jù)的工具。

該新型生物傳感器的相關論文的通信作者 Michael Daniele 表示：“就絕大部分而言，采集器官芯片中的狀況的僅有途徑就是，進行生物測定、組織學研究、或者使用其他會損壞組織的技術?！?Daniele 是北卡羅萊納州立大學電氣工程系助理教授，他也工作于北卡羅萊納州立大學與北卡羅萊納大學教堂山分校的生物醫(yī)學工程聯(lián)合部。

每個人身體中的含氧量差異很大。例如，在一個健康的成年人身體中，肺組織氧濃度約為15%，而腸道內的氧濃度為0。這很重要，因為氧直接影響組織的功能。如果你想要知道一個器官是怎樣正常工作的，你需要在實驗的時候，讓你的器官芯片中保持“正?！钡暮趿?。

Daniele 表示：“實際上，這意味著，我們需要擁有一種不僅能在器官芯片的即時環(huán)境中，也能在器官芯片組織的本身中，監(jiān)測氧濃度的方法。而且我們需要能實時監(jiān)測。現(xiàn)在我們已經擁有了這樣的方法?！?/p>

這種生物傳感器的關鍵是磷光凝膠，它在紅外線的照射下可以發(fā)出紅外線。這可以被看作是一種回聲閃光。但是，光線照射凝膠與凝膠發(fā)出回聲閃光的延時，根據(jù)它周圍環(huán)境中的含氧量而不同。氧氣越多，延時就越短。這些延時持續(xù)僅幾微秒，但是通過監(jiān)測這些延時，研究人員可以測量低至百分之零點幾的含氧量。

為了讓生物傳感器正常工作，研究人員在制造期間必須將一薄層凝膠加入到器官芯片中。因為紅外線可以通過組織，所以研究人員使用了一個“讀取器”，它發(fā)出紅外線并測量來自磷光凝膠的回聲閃光，通過測量到的微秒級的延時，來反復監(jiān)測組織中的含氧量。

開發(fā)這種生物傳感器的研究團隊已采用人類乳腺上皮細胞來建模健康組織和癌組織，并在三維支架中成功地測試了它。

價值

Daniele 表示：“我們真正需要的是，能提供實時采集數(shù)據(jù)的手段而又不影響系統(tǒng)操作的工具。這將使得我們持續(xù)地采集與分析數(shù)據(jù)，并觀察到更豐富的情況。我們的新型生物傳感器恰好做到了這一點，至少對于含氧量而言?！?/p>

Daniele 表示：“我們下一步的開發(fā)之一就是，將這些傳感器加入到可自動調整以保持器官芯片中期望的氧濃度的系統(tǒng)中。我們也希望可以與其他組織工程研究人員以及工業(yè)合作伙伴一起合作。我們認為，我們的傳感器將成為一個有價值的儀器，幫助推進作為重要研究工具的芯片器官的開發(fā)?！?/p>