中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2019年 9月25日-27日 | 上海世博展览馆

新型生物传感器:可实时监测“器官芯片”中的含氧量!

2018-08-27

背景

 

器官芯片(organs-on-a-chip),也称为“芯片上的器官”,是近些年发展起来的一门新兴的交叉学科,也是当今生物学研究中最热门的前沿技术之一,吸引了社会各界的广泛关注,被2016年达沃斯世界经济论坛列为"十大新兴技术"之一。

 

器官芯片(图片来源:哈佛大学 Wyss 研究所)

 

 

那么,到底什么是器官芯片?它其实是一种在载玻片大小的芯片上构建的器官生理微系统,包含活体细胞、组织界面、生物流体和机械力等器官微环境关键要素。它能在体外模拟某个人体器官或者整个器官系统的活动、力学与生理反应,也可以说是一种人造器官。器官芯片在生命科学和医学研究、新药研发、个性化医疗、毒性预测和生物防御等领域都具有广泛应用前景。

 

接下来,我们以药物研发为例,简单描述一下器官芯片的作用。药物研发是一个非常耗时、耗力、耗资的过程。一般来说,研究人员会用动物(小白鼠)实验来模仿人体实验。但是,动物毕竟与人体存在巨大差异,因此并不能足够准确地反应人体对药物的反应。即使某种药物通过了动物实验,但仍有可能无法通过人体实验,导致无法上市,造成严重的成本浪费。芯片器官是一种更迅速、有效的方法,可用于替代动物实验。它不仅能较为真实地反映出人体状况,而且节约了药物研发成本,缩短了测试时间,降低了风险。

 

如今,科学家们已经创造出各式各样的器官芯片,例如:

 

 

"肺芯片”(图片来源: 维基百科)

 

"心脏芯片”(图片来源: 维基百科)

 

"肾单位芯片”(图片来源: 维基百科)

 

"动脉芯片”(图片来源: 维基百科)

 

同时模仿不同器官的“人体芯片”。(图片来源: 维基百科)

 

创新

 

今天,让我们继续来看芯片器官方面的最新研究进展。近日,美国北卡罗莱纳州立大学的研究人员采用一种新型生物传感器,在“器官芯片”系统中实时监测含氧量,使该系统能更加近似地模仿真实器官的功能。如果芯片器官希望发挥它们在药物与毒性实验方面的潜能,这项研究将是不可或缺的。

 

 

(图片来源:Michael Daniele)

 

技术

 

近十年来,芯片器官这一概念受到了研究人员的极大关注。芯片器官其实就是创造出小型生物结构,模仿特定的器官功能,例如像肺一样将氧气从空气中转移到血流中。目标就是用这些器官芯片,也称为微生理模型,推进高通量测试,从而评估毒性或者新药物的有效性。

 

近些年来,虽然器官芯片的研究取得了显著进展,但是使用这些结构的一个障碍就是:缺少实际从系统中检索数据的工具。

 

该新型生物传感器的相关论文的通信作者 Michael Daniele 表示:“就绝大部分而言,采集器官芯片中的状况的仅有途径就是,进行生物测定、组织学研究、或者使用其他会损坏组织的技术。” Daniele 是北卡罗莱纳州立大学电气工程系助理教授,他也工作于北卡罗莱纳州立大学与北卡罗莱纳大学教堂山分校的生物医学工程联合部。

 

每个人身体中的含氧量差异很大。例如,在一个健康的成年人身体中,肺组织氧浓度约为15%,而肠道内的氧浓度为0。这很重要,因为氧直接影响组织的功能。如果你想要知道一个器官是怎样正常工作的,你需要在实验的时候,让你的器官芯片中保持“正常”的含氧量。

 

Daniele 表示:“实际上,这意味着,我们需要拥有一种不仅能在器官芯片的即时环境中,也能在器官芯片组织的本身中,监测氧浓度的方法。而且我们需要能实时监测。现在我们已经拥有了这样的方法。”

 

这种生物传感器的关键是磷光凝胶,它在红外线的照射下可以发出红外线。这可以被看作是一种回声闪光。但是,光线照射凝胶与凝胶发出回声闪光的延时,根据它周围环境中的含氧量而不同。氧气越多,延时就越短。这些延时持续仅几微秒,但是通过监测这些延时,研究人员可以测量低至百分之零点几的含氧量。

 

为了让生物传感器正常工作,研究人员在制造期间必须将一薄层凝胶加入到器官芯片中。因为红外线可以通过组织,所以研究人员使用了一个“读取器”,它发出红外线并测量来自磷光凝胶的回声闪光,通过测量到的微秒级的延时,来反复监测组织中的含氧量。

 

开发这种生物传感器的研究团队已采用人类乳腺上皮细胞来建模健康组织和癌组织,并在三维支架中成功地测试了它。

 

价值

 

Daniele 表示:“我们真正需要的是,能提供实时采集数据的手段而又不影响系统操作的工具。这将使得我们持续地采集与分析数据,并观察到更丰富的情况。我们的新型生物传感器恰好做到了这一点,至少对于含氧量而言。”

 

Daniele 表示:“我们下一步的开发之一就是,将这些传感器加入到可自动调整以保持器官芯片中期望的氧浓度的系统中。我们也希望可以与其他组织工程研究人员以及工业合作伙伴一起合作。我们认为,我们的传感器将成为一个有价值的仪器,帮助推进作为重要研究工具的芯片器官的开发。”