Biosensor Canggih Memungkinkan Pemantauan Oksigen Real-Time di Organ-on-a-Chip
Konsep organ-on-a-chip menciptakan struktur biologis skala kecil yang meniru fungsi organ tertentu seperti mentransfer oksigen dari udara ke aliran darah dengan cara yang sama seperti paru-paru. Tujuannya adalah untuk menggunakan organ-on-a-chip ini — juga disebut model mikrofisiologis — untuk mempercepat pengujian throughput tinggi untuk menilai toksisitas atau mengevaluasi efektivitas obat baru.
Tetapi sementara penelitian organ-on-a-chip telah mencapai kemajuan signifikan dalam beberapa tahun terakhir, satu hambatan untuk penggunaan struktur ini adalah kurangnya alat yang dirancang untuk sebenarnya mengambil data dari sistem. Cara yang ada untuk mengumpulkan data adalah dengan melakukan bioassay, histologi, atau menggunakan teknik lain yang melibatkan penghancuran jaringan. Yang dibutuhkan adalah alat yang menyediakan cara untuk mengumpulkan data secara real-time tanpa mempengaruhi operasi sistem.
Tingkat oksigen bervariasi secara luas di seluruh tubuh; misalnya, pada dewasa sehat, jaringan paru-paru memiliki konsentrasi oksigen sekitar 15 persen, sementara lapisan dalam usus sekitar 0 persen. Ini penting karena oksigen secara langsung mempengaruhi fungsi jaringan. Untuk mengetahui bagaimana organ akan berperilaku secara normal, "tingkat oksigen normal" harus dipelihara dalam organ-on-a-chip saat melakukan eksperimen. Ini berarti memantau tingkat oksigen tidak hanya di lingkungan langsung organ-on-a-chip tetapi juga di jaringannya.
Untuk memenuhi tantangan ini, biosensor dikembangkan yang memungkinkan peneliti untuk melacak tingkat oksigen secara real-time dalam sistem organ-on-a-chip, sehingga memungkinkan untuk memastikan bahwa sistem tersebut lebih dekat meniru fungsi organ nyata. Ini esensial jika organ-on-a-chip berharap mencapai potensinya dalam aplikasi seperti pengujian obat dan toksisitas.
Kunci biosensor adalah gel fosforesens yang memancarkan cahaya inframerah setelah terpapar cahaya inframerah. Tetapi waktu keterlambatan antara ketika gel terpapar cahaya dan ketika memancarkan kilatan bergema berbeda, tergantung pada jumlah oksigen dalam lingkungannya. Semakin banyak oksigen, semakin singkat waktu keterlambatan. Waktu keterlambatan ini hanya berlangsung mikrodetik tetapi dengan memantau waktu tersebut, peneliti dapat mengukur konsentrasi oksigen hingga sepertiga persen.
Agar biosensor bekerja, lapisan tipis gel harus digabungkan ke dalam organ-on-a-chip selama pembuatannya. Karena cahaya inframerah dapat melewati jaringan, "pembaca" — yang memancarkan cahaya inframerah dan mengukur kilatan bergema dari gel fosforesens — digunakan untuk memantau tingkat oksigen di jaringan secara berulang, dengan waktu keterlambatan diukur dalam mikrodetik.
Biosensor telah diuji dengan sukses pada rangka tiga dimensi menggunakan sel epitel payudara manusia untuk memodelkan jaringan sehat dan kanker. Langkah selanjutnya adalah menggabungkannya ke dalam sistem yang secara otomatis melakukan penyesuaian untuk mempertahankan konsentrasi oksigen yang diinginkan.
