Biosensor Avanzado Permite Monitoreo de Oxígeno en Tiempo Real en Órganos-en-un-Chip

El concepto de órgano-en-un-chip crea estructuras biológicas a pequeña escala que imitan una función orgánica específica, como transferir oxígeno del aire al torrente sanguíneo de la misma manera que lo hace un pulmón. El objetivo es usar estos órganos-en-un-chip — también llamados modelos microfisiológicos — para acelerar pruebas de alto rendimiento para evaluar toxicidad o evaluar la efectividad de nuevos fármacos.

Pero mientras la investigación de órganos-en-un-chip ha hecho avances significativos en años recientes, un obstáculo para el uso de estas estructuras es la falta de herramientas diseñadas para realmente recuperar datos del sistema. Las formas existentes de recopilar datos son realizar un bioensayo, histología, o usar alguna otra técnica que implique destruir el tejido. Lo que se necesitan son herramientas que proporcionen un medio para recopilar datos en tiempo real sin afectar la operación del sistema.

Los niveles de oxígeno varían ampliamente en el cuerpo; por ejemplo, en un adulto sano, el tejido pulmonar tiene una concentración de oxígeno de alrededor del 15 por ciento, mientras que el revestimiento interno del intestino está alrededor del 0 por ciento. Esto es importante porque el oxígeno afecta directamente la función del tejido. Para saber cómo un órgano va a comportarse normalmente, los niveles "normales" de oxígeno deben mantenerse en el órgano-en-un-chip al realizar experimentos. Esto significa monitorear los niveles de oxígeno no solo en el entorno inmediato del órgano-en-un-chip sino también en su tejido.

Para enfrentar estos desafíos, se desarrolló un biosensor que permite a los investigadores rastrear los niveles de oxígeno en tiempo real en sistemas de órganos-en-un-chip, haciendo posible asegurar que tales sistemas imiten más de cerca la función de órganos reales. Esto es esencial si los órganos-en-un-chip esperan lograr su potencial en aplicaciones como pruebas de fármacos y toxicidad.

La clave del biosensor es un gel fosforescente que emite luz infrarroja después de ser expuesto a luz infrarroja. Pero el tiempo de retraso entre cuando el gel es expuesto a la luz y cuando emite el destello de eco varía, dependiendo de la cantidad de oxígeno en su entorno. Cuanto más oxígeno hay, más corto el tiempo de retraso. Estos tiempos de retraso duran solo microsegundos, pero al monitorear esos tiempos, los investigadores pueden medir la concentración de oxígeno hasta décimas de un porcentaje.

Para que el biosensor funcione, una capa delgada del gel debe incorporarse en un órgano-en-un-chip durante su fabricación. Como la luz infrarroja puede pasar a través del tejido, un "lector" — que emite luz infrarroja y mide el destello de eco del gel fosforescente — se usa para monitorear los niveles de oxígeno en el tejido repetidamente, con tiempos de retraso medidos en microsegundos.

El biosensor ha sido probado exitosamente en andamios tridimensionales usando células epiteliales mamarias humanas para modelar tejido tanto sano como canceroso. El siguiente paso es incorporarlo en un sistema que haga ajustes automáticos para mantener la concentración de oxígeno deseada.