先進バイオセンサでオルガノンチップの酸素濃度をリアルタイム監視
オルガノンチップ概念とデータ取得の課題
オルガノンチップの概念は、肺が空気から血流へ酸素を移送するのと同じように、特定の臓器機能を模倣する小規模な生物学的構造を作り出します。目標は、これらのオルガノンチップ(マイクロ生理学的モデルとも呼ばれる)を用いて、毒性評価や新薬の有効性評価のためのハイスループットテストを迅速化することです。
しかし、オルガノンチップ研究が近年大きく進歩した一方で、これらの構造の使用における障壁の一つは、システムから実際にデータを取得するために設計されたツールの不足です。既存のデータ収集方法は、バイオアッセイ、組織学、または組織を破壊する何らかの他の技術を実施することです。必要なのは、システムの動作に影響を与えずにリアルタイムでデータを収集する手段を提供するツールです。
酸素濃度監視の重要性
体内では酸素レベルが大きく異なります。例えば健康な成人では、肺組織の酸素濃度は約15%ですが、腸の内壁は約0%です。これは酸素が組織機能に直接影響するため重要です。臓器が正常に振る舞う様子を知るには、実験時にオルガノンチップ内で「正常な」酸素レベルを維持する必要があります。これは、オルガノンチップの直近の環境だけでなく、その組織内の酸素レベルも監視することを意味します。
リン光ゲルを用いたバイオセンサの仕組み
これらの課題に対応するため、オルガノンチップシステムで酸素レベルをリアルタイムで追跡できるバイオセンサが開発されました。これにより、このようなシステムが実際の臓器の機能をより忠実に模倣することを保証できます。これは、オルガノンチップが薬物・毒性試験などの用途でその潜在能力を発揮するために不可欠です。
このバイオセンサの鍵は、赤外光に曝露された後に赤外光を放出するリン光ゲルです。しかし、ゲルが光に曝露されてからエコーのようなフラッシュを放出するまでのラグタイムは、環境中の酸素量によって変化します。酸素が多いほどラグタイムは短くなります。これらのラグタイムはマイクロ秒単位ですが、それらを監視することで、研究者は酸素濃度を0.1%単位まで測定できます。
実装と今後の展開
バイオセンサを機能させるには、オルガノンチップの製造時にゲルの薄い層を組み込む必要があります。赤外光は組織を透過するため、「リーダー」(赤外光を照射し、リン光ゲルからのエコーフラッシュを測定する装置)を使用して、マイクロ秒単位のラグタイムで組織内の酸素レベルを繰り返し監視します。
このバイオセンサは、ヒト乳腺上皮細胞を用いた三次元足場で、健常組織と癌組織の両方をモデル化してテストに成功しました。次のステップは、所望の酸素濃度を維持するために自動的に調整を行うシステムに組み込むことです。
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