基于纳米棒阵列的光学传感器用于器官芯片的实时监测
2022-03-19 07:45:27 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员研发的光学传感器由玻璃基板上的金纳米棒阵列组成。纳米棒是一种光学谐振器，可散射大约800纳米特定波长的光。但这种共振波长取决于纳米棒的表面环境。该团队使用化学方法将胰岛素抗体附着在纳米棒上。当胰岛素分子与抗体结合时，就会引起纳米棒共振波长的偏移。
由金纳米棒制成的光学传感器可以在模拟胰腺的器官芯片（organ-on-a-chip）上提供胰岛素生产的实时数据。
这款应用于器官芯片的光学传感器的核心是位于2.5厘米宽的芯片中心的金纳米棒阵列，该纳米棒的表面附着有胰岛素抗体。当胰岛素分子与其中的抗体结合时，纳米棒就会改变“颜色”，这是因为它的共振波长发生了变化（来源：西班牙光子科学研究所）
器官芯片就像一个微型实验室，可以通过该芯片在一组活细胞上测试药物和其它化学物质。这类紧凑型器件通过结合细胞培养、微流控和电子元件来模拟器官的基本功能，以减少对动物试验的需求。欧洲研究人员在胰腺类器官芯片方面的最新研究成果展示了一种可以实时监测胰腺产生的胰岛素量的光学检测新方法。
“这是光学传感器首次用于器官芯片的实时检测。”最近从西班牙光子科学研究所（Institute of Photonic Sciences，ICFO）转到苏黎世瑞士联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology，ETH）的开发人员Romain Quidant说，“我们可以通过改变芯片上的环境来跟踪胰腺细胞产生胰岛素的过程。”
据麦姆斯咨询介绍，十多年来，研究人员一直在利用肝脏、大脑、心脏和其它器官的培养细胞开发器官芯片。这些细胞被集中在一个可以泵入营养物质并排出废物的微流控装置中。先前的研究表明，器官芯片可以模拟器官的生物学功能，例如肺组织对细菌感染的反应。器官芯片技术的主要目标之一是取代动物试验。“我们可以模仿特定组织或器官的功能，然后使用这些组织芯片或器官芯片来测试药物或研究疾病。”西班牙巴塞罗那科学技术研究所（Barcelona Institute of Science and Technology，BIST）的Javier Ramon-Azcon解释道。
但是，器官芯片的生物信息监测通常是在该芯片外部完成，并且有明显的时间滞后。传统方法需要研究人员从芯片中提取液体，然后引入针对特定分子的抗体。当抗体与其靶标结合时，会产生光信号，例如荧光发射。这种免疫测定可能需要几个小时才能完成。Romain Quidant、Javier Ramon-Azcon和他们的同事提出了一种更直接的光学检测方法，可以提供实时数据。这种连续监测对于研究胰岛素的产生和其它可能在几分钟内发生变化的代谢过程是很有益的。Romain Quidant上个月在Photoptics 2022在线会议上展示了这项最新研究成果。
左图：器官芯片上10毫米宽的纤维素圆柱体（含有胰腺细胞）；右图：显微镜图像显示100微米宽的胰腺细胞群（蓝色），其周围环绕着胰岛素分子（红色）和纤维素纤维（绿色）。
研究人员使用的检测方法依赖于光和纳米级物体之间的相互作用。“通过纳米光学，我们可以实现传统光学无法做到的事情。”Romain Quidant说。当光线照射到纳米尺寸的球体或棒上时，电磁场会集中在物体表面。Romain Quidant所在团队将这种集中光线的技术应用于很多场景，例如光催化和局部加热。为了监测器官芯片，他们使用集中光线的技术来感知特定分子的存在，比如目前研究中所需要测定的胰岛素。
该团队研发的光学传感器由玻璃基板上的金纳米棒阵列组成。纳米棒是一种光学谐振器，可散射大约800纳米特定波长的光。但这种共振波长取决于纳米棒的表面环境。该团队使用化学方法将胰岛素抗体附着在纳米棒上。当胰岛素分子与抗体结合时，就会引起纳米棒共振波长的偏移。Romain Quidant将其形象地比作手指放在吉他弦上引起的变化。抗体改变表面折射率的位置，正是纳米棒集中光线的位置。“如果我们在电磁场集中的位置引入一个微小干扰，就会产生非常强烈的影响。”Romain Quidant说。
研究人员通过将这种光学传感器连接到由Javier Ramon-Azcon的生物学小组开发的胰腺类器官芯片上，以展示该光学传感器的性能。在这项测试实验中，研究人员从小鼠身上提取了胰腺细胞，并将其培养在10毫米宽的由纤维素制成的多孔圆柱体中。两个这样的圆柱体（每个含约50万个细胞）被放置在一个微流控系统中，充满营养的流体以每分钟50微升（大约一滴泪珠）的速度流过该系统。研究人员将其中一些液体转移到光学传感器所在的单独芯片中。
为了追踪纳米棒的共振情况，研究小组将光照射在纳米棒阵列上，并用光谱仪分析透射光。通过测量共振波长约10 pm的微小变化，研究小组发现，他们可以检测到0.85微克/毫升水平的胰岛素，其灵敏度可与传统免疫测定法相媲美。在单独的实验中，该团队将糖（葡萄糖）添加到胰腺类器件芯片中，并观察到胰岛素水平升高，该现象表示胰腺细胞功能正常。
基于这次成功的演示，研究人员正在从多个方向努力改进该系统。Romain Quidant的团队正在尝试将光学传感器直接与器官芯片集成，以便将整个系统安装在智能手机大小的单一设备中。Javier Ramon-Azcon的团队现在正在将胰腺、肝脏和骨骼肌这三种器官集成到一个器件芯片上。这种多器官芯片将使他们能够模拟被认为引发糖尿病的器官之间的相互作用。
Javier Ramon-Azcon表示，已经有制药公司开始投资于器官芯片技术，作为对候选药物进行高通量测试的一种潜在方式。器官芯片的小尺寸和特殊性质可以减少将候选药物用于临床试验所需的时间。“我们可以使用器官芯片更准确地预测人体反应，因为我们使用的是人类细胞而非动物细胞。”Javier Ramon-Azcon补充说。
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