Un nouveau biocapteur permet aux chercheurs de suivre les niveaux d'oxygène en temps réel dans des systèmes « organes sur puce », permettant de s'assurer que de tels systèmes reproduisent plus fidèlement la fonction d'organes réels. Ceci est essentiel si les organes sur puce espèrent réaliser leur potentiel dans des applications telles que les tests de drogue et de toxicité.

Le concept d'organe sur puce a attiré l'attention des chercheurs pendant environ une décennie. L'idée est de créer à petite échelle, des structures biologiques qui imitent une fonction d'organe spécifique, comme le transfert d'oxygène de l'air dans la circulation sanguine de la même manière qu'un poumon. L'objectif est d'utiliser ces organes sur puce, également appelés modèles microphysiologiques, pour accélérer les tests à haut débit afin d'évaluer la toxicité ou d'évaluer l'efficacité de nouveaux médicaments.

Mais si la recherche sur les organes sur puce a fait des progrès significatifs ces dernières années, un obstacle à l'utilisation de ces structures est le manque d'outils conçus pour récupérer réellement les données du système.

"Pour la plupart, les seuls moyens existants de collecter des données sur ce qui se passe dans un organe sur puce sont de procéder à un essai biologique, histologie, ou utiliser une autre technique qui consiste à détruire le tissu, " dit Michael Danièle, auteur correspondant d'un article sur le nouveau biocapteur. Daniele est professeur adjoint de génie électrique à l'Université d'État de Caroline du Nord et au département conjoint de génie biomédical de l'État de Caroline du Nord et de l'Université de Caroline du Nord, Colline de la Chapelle.

"Ce dont nous avons vraiment besoin, ce sont des outils qui permettent de collecter des données en temps réel sans affecter le fonctionnement du système, " dit Daniele. " Cela nous permettrait de collecter et d'analyser des données en continu, et offrent un aperçu plus riche de ce qui se passe. Notre nouveau biocapteur fait exactement cela, au moins pour les niveaux d'oxygène."

Les niveaux d'oxygène varient considérablement à travers le corps. Par exemple, chez un adulte en bonne santé, le tissu pulmonaire a une concentration en oxygène d'environ 15 pour cent, tandis que la paroi interne de l'intestin est d'environ 0 pour cent. Cela est important car l'oxygène affecte directement la fonction des tissus. Si vous voulez savoir comment un organe va se comporter normalement, vous devez maintenir des niveaux d'oxygène "normaux" dans votre organe sur puce lorsque vous effectuez des expériences.

"Ce que cela signifie en termes pratiques, c'est que nous avons besoin d'un moyen de surveiller les niveaux d'oxygène non seulement dans l'environnement immédiat de l'organe sur puce, mais dans le tissu de l'organe sur puce lui-même, " dit Daniele. " Et nous devons pouvoir le faire en temps réel. Maintenant, nous avons un moyen de le faire."

La clé du biocapteur est un gel phosphorescent qui émet une lumière infrarouge après avoir été exposé à la lumière infrarouge. Considérez-le comme un flash en écho. Mais le temps de latence entre le moment où le gel est exposé à la lumière et celui où il émet le flash en écho varie, en fonction de la quantité d'oxygène dans son environnement. Plus il y a d'oxygène, plus le temps de latence est court. Ces temps de latence ne durent que quelques microsecondes, mais en surveillant ces moments, les chercheurs peuvent mesurer la concentration d'oxygène jusqu'à des dixièmes de pour cent.

Pour que le biocapteur fonctionne, les chercheurs doivent incorporer une fine couche de gel dans un organe sur puce lors de sa fabrication. Parce que la lumière infrarouge peut traverser les tissus, les chercheurs peuvent utiliser un "lecteur - qui émet une lumière infrarouge et mesure le flash écho du gel phosphorescent - pour surveiller les niveaux d'oxygène dans les tissus à plusieurs reprises, avec des temps de latence mesurés en microsecondes.

L'équipe de recherche qui a développé le biocapteur l'a testé avec succès dans des échafaudages tridimensionnels en utilisant des cellules épithéliales mammaires humaines pour modéliser à la fois des tissus sains et cancéreux.

"L'une de nos prochaines étapes consiste à incorporer le biocapteur dans un système qui effectue automatiquement des ajustements pour maintenir la concentration d'oxygène souhaitée dans l'organe sur puce, " Dit Daniele. "Nous espérons également travailler avec d'autres chercheurs et industriels du génie tissulaire. Nous pensons que notre biocapteur pourrait être un instrument précieux pour aider à faire avancer le développement d'organes sur puce en tant qu'outils de recherche viables."

Le papier, "Biocapteur photonique basé sur la phosphorescence intégré (iPOB) pour surveiller les niveaux d'oxygène dans les systèmes de culture cellulaire 3D, " est publié dans la revue Biocapteurs et bioélectronique .