Biosenseur avancé pour surveillance temps réel de l'oxygène dans les organes-sur-puce

Le concept organe-sur-puce et son défi de mesure

Le concept d'organe-sur-puce crée des structures biologiques à petite échelle qui imitent une fonction organique spécifique, comme le transfert d'oxygène de l'air vers la circulation sanguine de la même manière qu'un poumon. L'objectif est d'utiliser ces organes-sur-puce — aussi appelés modèles microphysiologiques — pour accélérer les tests à haut débit afin d'évaluer la toxicité ou l'efficacité de nouveaux médicaments.

Mais si la recherche sur les organes-sur-puce a fait des avancées significatives ces dernières années, un obstacle à l'utilisation de ces structures est le manque d'outils conçus pour réellement récupérer des données du système. Les méthodes existantes de collecte de données consistent à réaliser un bioessai, une histologie, ou utiliser une autre technique impliquant la destruction du tissu. Ce dont on a besoin sont des outils permettant de collecter des données en temps réel sans affecter le fonctionnement du système.

L'importance critique des niveaux d'oxygène

Les niveaux d'oxygène varient largement dans le corps ; par exemple, chez un adulte en bonne santé, le tissu pulmonaire a une concentration d'oxygène d'environ 15 %, tandis que la paroi interne de l'intestin est autour de 0 %. C'est important car l'oxygène affecte directement la fonction tissulaire. Pour savoir comment un organe va se comporter normalement, des niveaux d'oxygène « normaux » doivent être maintenus dans l'organe-sur-puce lors des expériences. Cela signifie surveiller les niveaux d'oxygène non seulement dans l'environnement immédiat de l'organe-sur-puce mais aussi dans son tissu.

Le biosenseur à gel phosphorescent

Pour relever ces défis, un biosenseur a été développé permettant aux chercheurs de suivre les niveaux d'oxygène en temps réel dans les systèmes organes-sur-puce, rendant possible l'assurance que ces systèmes imitent plus fidèlement la fonction de vrais organes. C'est essentiel si les organes-sur-puce veulent atteindre leur potentiel dans des applications comme les tests de médicaments et de toxicité.

La clé du biosenseur est un gel phosphorescent qui émet de la lumière infrarouge après avoir été exposé à la lumière infrarouge. Mais le temps de latence entre l'exposition du gel à la lumière et l'émission de l'écho lumineux varie, selon 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 des microsecondes, mais en les surveillant, les chercheurs peuvent mesurer la concentration d'oxygène jusqu'à dixièmes de pourcent.

Pour que le biosenseur fonctionne, une fine couche de gel doit être incorporée dans un organe-sur-puce lors de sa fabrication. Comme la lumière infrarouge traverse les tissus, un « lecteur » — qui émet de la lumière infrarouge et mesure l'écho du gel phosphorescent — est utilisé pour surveiller les niveaux d'oxygène dans le tissu de manière répétée, avec des temps de latence mesurés en microsecondes.

Le biosenseur a été testé avec succès dans des échafaudages tridimensionnels utilisant des cellules épithéliales mammaires humaines pour modéliser des tissus sains et cancéreux. L'étape suivante est de l'incorporer dans un système qui ajuste automatiquement pour maintenir la concentration d'oxygène désirée.