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Wissenschaftler entwickeln eine neue elektrochemische Sensorplattform zur Überwachung von vaskularisierten Gewebemodellen


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Die Kostspieligkeit der Arzneimittelentwicklung und die Einschränkungen bei der Untersuchung physiologischer Prozesse im Labor sind zwei unterschiedliche wissenschaftliche Probleme, die möglicherweise dieselbe Lösung haben.

Mikrophysikalische Systeme (MPS) sind In-vitro-Plattformen, die aus Zellen in einer Mikroumgebung bestehen, die der im Körper vorkommenden sehr ähnlich sind, und es Wissenschaftlern ermöglichen, die Bedingungen von Geweben im Körper nachzubilden, um sowohl biologische Bedingungen und Systeme weiter aufzuklären als auch für Anwendungen wie z B. das Testen von Arzneimitteln in einem genaueren Modell, als es Tierversuche zulassen. Die Fortschritte, die MPS bieten könnten, waren jedoch bis zu diesem Punkt durch die Unfähigkeit begrenzt, genau aufzuzeichnen, was auf zellulärer Ebene passiert. Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern eine elektrochemische Sensorplattform entwickelt, die dieses Problem lösen könnte.

Die Ergebnisse wurden am 29. Oktober 2022 in Biosensors and Bioelectronics veröffentlicht.

„Neuere biotechnische Techniken haben eine Konstruktion eines Gewebemodells realisiert, das in ein perfundierbares Gefäßnetzwerk integriert ist“, sagte der korrespondierende Autor Yuji Nashimoto, ehemals vom Frontier Research Institute for Interdisziplinäre Wissenschaften der Tohoku-Universität, jetzt an der Tokyo Medical and Dental University. „Um die Modelle jedoch als Tools für das Arzneimittel-Screening zu nutzen, benötigen wir Biosensoren, um ihre Funktionen in Echtzeit zu überwachen, was bisher fehlte. Diese Studie entwickelte eine neue elektrochemische Sensorplattform zur Überwachung des vaskularisierten Gewebemodells.“

Das Team identifizierte elektrochemische Sensoren aufgrund ihrer geringen Invasivität, Echtzeiterkennung und hohen Empfindlichkeit für In-vitro-Kulturplattformen als ideal für das Auslesen der Zellfunktionalität. Die Integration elektrochemischer Sensoren in MPS war jedoch laut den Forschern aufgrund ihrer Inkompatibilität mit mikrofluidischen Geräten schwierig.

Die Forscher waren in der Lage, ihre Sensorplattform für kultivierte 3D-Zellen mit einem perfundierbaren Gefäßnetzwerk zu integrieren – einem konstruierten Gefäßsystem, das den Durchgang von Flüssigkeiten durch es beinhaltet – um den Sauerstoffstoffwechsel in 3D-Geweben mit Gefäßfluss zu messen, der den im menschlichen Körper nachahmt Echtzeit.

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Diese erfolgreiche Integration wurde teilweise dadurch erreicht, dass das System oben offen und mit einer unteren Schicht mit fünf Kanälen für die Kultivierung des Gefäßnetzwerks und einer oberen Schicht konstruiert wurde, die sowohl für die Kultivierung von 3D-kultivierten Zellen als auch für die Analyse des Sauerstoffstoffwechsels verwendet wurde. Die beiden Schichten waren durch eine dünne Membran getrennt.

Die Forscher testeten die Plattform mit menschlichen Lungenfibroblasten-Sphäroiden. Anschließend wendeten sie es auf ein Krebsorganoid an und bewerteten die Veränderungen des Sauerstoffstoffwechsels während der Arzneimittelverabreichung durch das Gefäßnetz. Die Ergebnisse zeigten, dass ihre Sensoren erfolgreich in das System integriert wurden, um die gewünschten genauen Messungen zu liefern.

Wir fanden heraus, dass die Plattform ein perfundierbares Gefäßnetzwerk mit kultivierten 3D-Zellen integrieren konnte und der elektrochemische Sensor die Veränderung des Sauerstoffstoffwechsels quantitativ, nicht-invasiv und in Echtzeit erkennen konnte. Biosensoren sind sehr wichtige Werkzeuge, um ein physiologischeres Arzneimittelscreening zu realisieren. Unsere Forschungsgruppe hat dafür verschiedene Sensoren entwickelt. Wir bauen die nachweisbaren Moleküle weiter aus und entwickeln robustere und durchsatzstarke Sensoren.“

Hitoshi Shiku, korrespondierender Autor, Graduate School of Engineering und der Graduate School of Environmental Studies, Tohoku University

Laut den Forschern sollten zukünftige Studien Wege beinhalten, um die Veränderungen des Sphäroids und Organoids während der Gerätekultur sowie die Entwicklung eines perfundierbaren Gefäßnetzwerks in einer noch kontrollierteren Umgebung als derzeit möglich anzugehen. Während die Forscher die nächsten Schritte für zukünftige Studien identifizierten, sind die Ergebnisse dieser Studie vielversprechend für die Überwachung perfundierbarer Gefäßnetzwerke für Arzneimitteltestzwecke auf eine Weise, die zuvor nicht erreicht wurde.

„Diese Studie entwickelte eine Analyse des Sauerstoffstoffwechsels für das vaskularisierte Gewebemodell“, sagte Shiku. „Künftig sollen die nachweisbaren Moleküle erweitert und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden.“

Quelle:

Tohoku-Universität

Referenz:

Nashimoto, Y., et al. (2022) Elektrochemische Erfassung des Sauerstoffstoffwechsels für ein dreidimensionales Kulturmodell mit biomimetischem Gefäßfluss. Biosensoren und Bioelektronik. doi.org/10.1016/j.bios.2022.114808.

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Daniel Wom

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