Un jour, les médecins aimeraient faire pousser des membres et d'autres tissus corporels pour les soldats qui ont perdu des armes au combat, les enfants qui ont besoin d'un nouveau cœur ou foie, et de nombreuses autres personnes ayant des besoins critiques. Aujourd'hui, les professionnels de la santé peuvent greffer des cellules d'un patient, les déposer sur un échafaudage en tissu, et insérer l'échafaudage dans le corps pour favoriser la croissance de l'os, cartilage et autres tissus spécialisés. Mais les chercheurs travaillent toujours à la construction d'organes complexes pouvant être implantés chez les patients.

Les scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) soutiennent ce domaine de recherche en développant un nouveau type prometteur de capteur basé sur la lumière pour étudier la croissance des tissus en laboratoire.

Le travail de preuve de concept de l'équipe du NIST, publié aujourd'hui dans Capteurs et actionneurs B , montre un petit capteur qui utilise un signal basé sur la lumière pour mesurer le pH, l'unité de mesure de l'acidité, une propriété importante dans les études de croissance cellulaire. La même conception de base pourrait être utilisée pour mesurer d'autres qualités telles que la présence de calcium, facteur de croissance cellulaire et certains anticorps.

Contrairement aux capteurs conventionnels, cette méthode de mesure pourrait être utilisée pour surveiller l'environnement dans une culture cellulaire à long terme - pendant des semaines - sans avoir à perturber régulièrement les cellules pour calibrer les instruments de détection. Regarder les propriétés du tissu en temps réel alors qu'elles changent lentement, sur des jours ou des semaines, pourrait grandement bénéficier aux études d'ingénierie tissulaire pour faire pousser les dents, tissu cardiaque, tissu osseux et plus, a déclaré le chimiste du NIST Zeeshan Ahmed.

"Nous voulons fabriquer des capteurs qui peuvent être placés à l'intérieur des tissus en croissance pour donner aux chercheurs des informations quantitatives, " a dit Ahmed. " Le tissu se développe-t-il réellement ? Est-ce sain ? Si vous faites pousser un os, a-t-il les bonnes propriétés mécaniques ou est-il trop faible pour supporter un corps ?"

Le travail pourrait également avoir des avantages au-delà de l'ingénierie tissulaire, à étudier la progression de maladies comme le cancer.

"Ce que ces capteurs pourraient donner aux gens, ce sont des informations en temps réel sur la croissance des tissus et la progression de la maladie, " a déclaré Matthew Hartings, chimiste de l'Université américaine et chercheur invité du NIST. Les capteurs conventionnels donnent aux chercheurs une série d'instantanés sans leur montrer le chemin entre ces points, dit Hartings. Mais les capteurs photoniques pourraient fournir aux scientifiques des informations en continu, l'équivalent d'une application de navigation GPS pour la maladie.

« Nous voulons fournir aux chercheurs une carte détaillée des changements incrémentiels qui se produisent lorsque les tissus se développent de manière saine ou deviennent malades, " a déclaré Hartings. " Une fois que les chercheurs connaissent les 'rues' empruntées par une maladie, alors ils peuvent mieux prévenir ou soutenir les changements qui se produisent" dans le corps d'un patient.

Un problème à résoudre

Les mesures du pH sont une partie essentielle des études d'ingénierie tissulaire. Au fur et à mesure que les cellules grandissent, leur environnement devient naturellement plus acide. Si l'environnement devient trop acide ou trop basique, les cellules mourront. Les scientifiques mesurent le pH sur une échelle de 0 (très acide) à 14 (très basique), avec un environnement idéal pour la plupart des cellules dans une plage étroite autour d'un pH de 7.

Les instruments de pH commerciaux sont très précis mais instables, ce qui signifie qu'ils nécessitent des étalonnages fréquents pour assurer des lectures précises au jour le jour. Sans calibrage, ces pH-mètres conventionnels perdent jusqu'à 0,1 unité de pH de précision par jour. Mais les études d'ingénierie tissulaire ont lieu de l'ordre de quelques semaines. Une culture de cellules souches peut avoir besoin d'être cultivée pendant près d'un mois avant qu'elles ne se transforment en os.

"Un incrément de 0,1 pH est significatif, " a dit Ahmed. " Si votre valeur de pH change de 1, vous tuez les cellules. Si après quelques jours je ne peux plus me fier à ma mesure de pH, alors je ne vais pas utiliser cette méthode de mesure."

D'autre part, si les chercheurs perturbent les cellules en croissance à chaque fois qu'ils doivent mesurer le pH de la culture cellulaire, alors les scientifiques introduisent un autre type d'incertitude dans leurs mesures, car ils modifient l'environnement des cellules.

Ce qui est nécessaire pour ce genre de recherche, Ahmed a dit, est un système de mesure qui peut rester à l'intérieur d'un incubateur avec les cellules dans leur milieu de culture et n'a pas besoin d'être retiré ou calibré pendant des semaines à la fois.

De nouveaux capteurs courageux

Pendant des années, Ahmed et son équipe ont développé des capteurs photoniques, petits appareils légers qui utilisent des signaux optiques pour mesurer une gamme de qualités, y compris la température, pression et humidité.

Certains de ces nouveaux dispositifs utilisent, disponibles dans le commerce, fibres optiques souples gravées d'un réseau de Bragg, sorte de filtre à lumière qui réfléchit certaines longueurs d'onde et laisse passer d'autres. Les changements de température ou de pression modifient les longueurs d'onde de la lumière qui peuvent traverser le réseau.

Pour adapter leurs dispositifs photoniques à une mesure de pH, Ahmed et Hartings se sont appuyés sur un concept bien connu en science :lorsqu'un objet absorbe de la lumière, l'énergie absorbée " doit aller quelque part, " Ahmed a dit, et dans de nombreux cas, cette énergie se transforme en chaleur.

"Pour chaque photon individuel, la chaleur produite est une très petite quantité d'énergie, " a dit Ahmed. " Mais si vous avez beaucoup de photons qui arrivent, et vous avez beaucoup de molécules, cela devient un changement de chaleur appréciable."

Pour leur démonstration, les scientifiques ont utilisé une substance qui change de couleur en réponse aux changements de pH, un matériau dont beaucoup de gens se souviennent des cours de biologie :la poudre de jus de chou rouge. Le jus de chou change de couleur, passant du violet foncé au rose clair en fonction de l'acidité d'une solution. Ce changement de couleur peut être capté par les capteurs de température photoniques d'Ahmed.

Les chercheurs ont rempli une boîte de Pétri avec la solution de jus de chou. Une fibre optique a été positionnée au-dessus de la parabole. Il était connecté à un pointeur laser et éclairait l'échantillon. Une seconde fibre optique a été physiquement noyée dans le liquide. Cette seconde fibre contenait le réseau de Bragg et servait de capteur de température. L'équipe d'Ahmed a contrôlé manuellement le pH de la solution.

Pour faire une mesure, les chercheurs ont fait briller une couleur de lumière, comme le rouge, dans l'échantillon d'en haut. Le jus de chou a absorbé la lumière rouge à des degrés divers en fonction de sa couleur, qui dépendait du pH de la solution à ce moment-là. La fibre du thermomètre photonique a capté ces légers changements de chaleur du jus. Un changement de température modifie les longueurs d'onde de la lumière qui peuvent traverser le réseau de Bragg de la fibre.

Prochain, les chercheurs ont fait briller une deuxième couleur de lumière, comme le vert, dans le liquide, et répété le processus.

En comparant la quantité de chaleur générée par chaque couleur de lumière, les chercheurs ont pu déterminer la couleur exacte du jus de chou à ce moment-là, et qui leur a dit le pH.

« Littéralement, nous avons dit, « Pouvons-nous allumer et éteindre deux pointeurs laser pendant quelques minutes et voir si nous pouvons en faire un pH-mètre ? », " a déclaré Ahmed. " Et nous avons pu montrer que cela fonctionne sur une large plage, " d'un pH de 4 à un pH de 9 ou 10.

Les travaux en cours montrent que les mesures de pH photoniques sont précises à plus ou moins 0,13 unités de pH et sont stables pendant au moins trois semaines, beaucoup plus longtemps que les mesures conventionnelles.

Au-delà du jus de chou

Les chercheurs disent que selon leurs collaborateurs en génie tissulaire, les nouveaux capteurs photoniques pourraient fournir des informations utiles pour une gamme de systèmes biologiques à l'étude, en particulier la croissance des cellules cardiaques et osseuses.

Pour leur prochaine série d'expériences, déjà en cours, les chercheurs du NIST utilisent un autre colorant sensible au pH appelé rouge de phénol. En outre, ils s'efforcent d'encapsuler le colorant dans un revêtement plastique autour de la fibre elle-même afin qu'elle n'interagisse pas avec le milieu cellulaire. L'équipe réalise également son premier test du système en vraie culture cellulaire, avec l'aide de collègues du NIST spécialisés dans l'ingénierie tissulaire.

Les plans futurs incluent la mesure de quantités au-delà du pH, ce qui nécessiterait simplement de remplacer le rouge de phénol par un autre colorant sensible à la propriété que les chercheurs souhaitent mesurer.

Et bien plus loin dans le futur, Ahmed espère que le schéma de mesure pourrait potentiellement être utilisé pour surveiller la croissance des tissus dans le corps d'une personne réelle.

"L'objectif à long terme est de pouvoir mettre des dispositifs implantables chez des personnes où vous essayez de développer des os et des muscles, et j'espère qu'avec le temps, les capteurs pourraient être conçus pour se dissoudre et vous n'auriez même pas besoin de les retirer et de les retirer, " a dit Ahmed. " C'est le rêve ultime. Mais bébé fait les premiers pas."