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一种新的生物传感器允许研究人员在“芯片上的器官”系统中实时跟踪氧气水平，从而有可能确保这样的系统更接近真实器官的功能。如果芯片上的器官希望在药物和毒性测试等应用方面发挥其潜力，这是至关重要的。
大约十年来，器官芯片的概念已经引起了研究人员的极大关注。他们的想法是创造小型的生物结构，模仿特定器官的功能，比如像肺一样将氧气从空气中转移到血液中。他们的目标是使用这些芯片上的器官——也称为微生理模型——来加速高通量测试，以评估新药的毒性或有效性。
然而，尽管近年来芯片上的器官研究取得了重大进展，但使用这些结构的一个障碍是缺乏从系统中实际检索数据的工具。
“在大多数情况下，现有收集芯片上器官运行数据的唯一方法是进行生物分析、组织学或使用其他一些涉及破坏组织的技术，”一篇关于这种新型生物传感器的论文的通讯作者迈克尔·丹尼尔(Michael Daniele)说。Daniele是北卡罗来纳州立大学电子工程系的助理教授，也是北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校联合生物医学工程系的助理教授。
“我们真正需要的是能够在不影响系统运行的情况下实时收集数据的工具，”Daniele说。“这将使我们能够不断收集和分析数据，并对正在发生的事情提供更丰富的见解。我们的新生物传感器正是这样做的，至少在氧气水平。”
体内的氧气含量差别很大。例如，在一个健康的成年人中，肺组织的氧浓度约为15%，而肠道内壁的氧浓度约为0%。这很重要，因为氧气直接影响组织功能。如果你想知道一个器官是如何正常运作的，在进行实验时，你需要在你的芯片器官中保持“正常”的氧气水平。
“从实际意义上讲，这意味着我们需要一种方法，不仅监测芯片上器官的直接环境中的氧气水平，而且监测芯片上器官组织本身的氧气水平，”Daniele说。“我们需要能够实时做到这一点。现在我们有办法做到这一点。”
该生物传感器的关键是一种磷光凝胶，暴露在红外光后会发出红外光。把它想象成一个反射的闪光。但是凝胶暴露在光线下和发出反射闪光之间的滞后时间是不同的，这取决于环境中的氧气量。氧气越多，滞后时间越短。这些滞后时间仅持续微秒，但通过监测这些时间，研究人员可以测量到0.1个百分点的氧气浓度。
为了使生物传感器工作，研究人员必须在其制造过程中将一层薄薄的凝胶植入芯片上的器官。因为红外光可以穿透组织，研究人员可以使用一个“读卡器”——它发射红外光并测量磷光凝胶反射的闪光——来反复监测组织中的氧气水平，滞后时间以微秒计算。
开发生物传感器的研究小组已经成功地在三维支架上测试了它，使用人类乳腺上皮细胞来模拟健康和癌变组织。
“我们的下一步是将生物传感器集成到一个系统中，该系统可以自动进行调整，以维持芯片上的器官所需的氧气浓度，”Daniele说。“我们也希望与其他组织工程研究人员和行业合作。我们认为，我们的生物传感器可能是一种有价值的工具，有助于推进将芯片器官作为可行的研究工具的发展。”
纸”,集成的基于磷光的光子生物传感器(iPOB)监测三维细胞培养系统中的氧水平发表在杂志上生物传感器和生物电子学．这篇论文的第一作者是Kristina Rivera，她是联合生物医学工程系的博士生。这篇论文是由生物医学工程联合学院的博士生Ashlyn Young和Patrick Erb共同撰写的;北卡罗来纳州立大学博士后研究员弗拉基米尔·波兹丁(Vladimir Pozdin);Profusa, Inc.的Natalie Wisniewski;以及北卡罗来纳大学和联合生物医学工程系的副教授斯科特·马格尼斯。
这项工作是在EEC1160483的资助下与北卡罗来纳州国家科学基金会资助的集成传感器和技术先进自供电系统(ASSIST)中心合作完成的。
希普曼-
编辑:研究摘要如下。
集成的基于磷光的光子生物传感器(iPOB)用于监测3D细胞培养系统中的氧气水平
作者北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校联合生物医学工程项目Kristina R. Rivera, Ashlyn T. Young和Patrick D. Erb;Vladimir A. Pozdin，北卡罗莱纳州立大学;Natalie A. Wisniewski, Profusa, Inc.;Scott T. Magness，北卡罗来纳大学教堂山分校以及北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校联合生物医学工程项目;以及北卡罗来纳州立大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的联合生物医学工程项目的Michael Daniele。
发表: 7月21日,生物传感器和生物电子学
DOI: 10.1016 / j.bios.2018.07.035
文摘:生理过程，如呼吸、循环、消化和许多病理改变血液和组织中的氧浓度。在设计模拟体内氧环境的培养系统时，整合氧浓度监测和控制系统是很重要的。在此，我们报告了一个系统的设计和工程，以远程监测和控制3D细胞培养设备内的氧浓度。我们将一个光子氧生物传感器集成到三维组织支架中，并通过控制净化气体流量来调节氧浓度。该集成磷光氧生物传感器利用分子氧淬灭钯-苯并卟啉来转导三维组织支架中的局部氧浓度。通过测试常氧和低氧培养条件对健康和致瘤乳腺上皮细胞、MCF-10A细胞和BT474细胞的影响，验证了该系统的有效性。在缺氧条件下，两种细胞都表现出缺氧标记基因下游靶基因，缺氧诱导因子1α (HIF1A)的上调。最后，通过实时监测氧浓度的波动，我们说明了由于氧气在三维组织支架中的有限扩散而形成的低氧培养条件。
