Sự tốn kém của việc phát triển thuốc và những hạn chế của việc nghiên cứu các quá trình sinh lý trong phòng thí nghiệm là hai vấn đề khoa học riêng biệt có thể chia sẻ cùng một giải pháp.
Các hệ thống vi vật lý (MPS) là các nền tảng trong ống nghiệm được tạo thành từ các tế bào trong một môi trường vi mô mô phỏng gần giống như trong cơ thể, cho phép các nhà khoa học tái tạo các điều kiện của các mô được tìm thấy trong cơ thể để làm sáng tỏ thêm các điều kiện và hệ thống sinh học cũng như cho các ứng dụng như khi thử nghiệm thuốc theo một mô hình chính xác hơn so với thử nghiệm trên động vật cho phép.
>> Tham khảo: Nhà nghiên cứu được ca ngợi vì lời giải tuyệt vời cho câu đố thuật toán từ những năm 1950.
Tuy nhiên, những tiến bộ mà MPS có thể mang lại đã bị hạn chế cho đến thời điểm này do không thể ghi lại chính xác những gì đang xảy ra ở cấp độ tế bào. Giờ đây, một nhóm các nhà khoa học đã phát triển một nền tảng cảm biến điện hóa có thể giải quyết vấn đề này.
Kết quả được công bố trên Biosensors and Bioelectronics vào ngày 29 tháng 10 năm 2022.
“Các kỹ thuật công nghệ sinh học gần đây đã hiện thực hóa việc xây dựng mô hình mô tích hợp với mạng lưới mạch máu có thể tưới được”, tác giả tương ứng Yuji Nashimoto, chính thức thuộc Viện Nghiên cứu Frontier về Khoa học Liên ngành tại Đại học Tohoku, hiện thuộc Đại học Y và Nha khoa Tokyo, cho biết.
“Tuy nhiên, để sử dụng các mô hình này làm công cụ sàng lọc thuốc, chúng tôi cần các cảm biến sinh học để theo dõi các chức năng của chúng trong thời gian thực, điều mà cho đến nay vẫn còn thiếu. Nghiên cứu này đã phát triển nền tảng cảm biến điện hóa mới để theo dõi mô hình mô mạch máu.”
>> Tham khảo: Quang xúc tác: Các quá trình phân tách điện tích được ghi lại bằng thực nghiệm.
Nhóm đã xác định các cảm biến điện hóa là lý tưởng để đọc chức năng tế bào vì khả năng xâm lấn thấp, khả năng phát hiện theo thời gian thực và độ nhạy cao đối với các nền tảng nuôi cấy trong ống nghiệm. Tuy nhiên, việc tích hợp các cảm biến điện hóa vào MPS rất khó khăn do chúng không tương thích với các thiết bị vi lỏng, theo các nhà nghiên cứu.
Các nhà nghiên cứu đã có thể tích hợp nền tảng cảm biến của họ cho các tế bào nuôi cấy 3D với một mạng lưới mạch máu có thể tưới máu — một hệ thống mạch máu được thiết kế bao gồm việc chất lỏng đi qua nó — để đo sự chuyển hóa oxy trong các mô 3D với dòng chảy mạch máu giống như ở người. cơ thể trong thời gian thực.
Sự tích hợp thành công này đạt được một phần nhờ thiết kế hệ thống có lớp trên cùng và lớp dưới mở với năm kênh để nuôi cấy mạng lưới mạch máu và lớp trên được sử dụng cho cả nuôi cấy tế bào nuôi cấy 3D và phân tích chuyển hóa oxy. Hai lớp được ngăn cách bởi một màng mỏng.
>> Tham khảo: Một nửa số cây nhiệt đới được trồng lại không sống sót.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nền tảng này với các nhân vật anh hùng nguyên bào sợi phổi của con người. Sau đó, họ áp dụng nó cho một cơ quan ung thư và đánh giá sự thay đổi chuyển hóa oxy trong quá trình sử dụng thuốc thông qua mạng lưới mạch máu. Kết quả cho thấy các cảm biến của họ đã được tích hợp thành công vào hệ thống để cung cấp các phép đo chính xác như mong muốn.
“Chúng tôi thấy rằng nền tảng này có thể tích hợp một mạng lưới mạch máu có thể tưới được với các tế bào nuôi cấy 3D và cảm biến điện hóa có thể phát hiện sự thay đổi trong quá trình chuyển hóa oxy theo cách định lượng, không xâm lấn và theo thời gian thực”, tác giả tương ứng Hitoshi Shiku của Graduate cho biết. Trường Kỹ thuật và Trường Cao học Nghiên cứu Môi trường, cả hai đều thuộc Đại học Tohoku.
“Cảm biến sinh học là công cụ rất quan trọng để thực hiện sàng lọc thuốc sinh lý nhiều hơn. Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã phát triển nhiều cảm biến khác nhau cho mục đích này. Chúng tôi tiếp tục mở rộng các phân tử có thể phát hiện được và phát triển các cảm biến thông lượng cao và mạnh mẽ hơn.”
Theo các nhà nghiên cứu, các nghiên cứu trong tương lai nên bao gồm các cách để giải quyết những thay đổi của hình cầu và cơ quan trong quá trình nuôi cấy thiết bị cũng như sự phát triển của mạng lưới mạch máu có thể tưới được trong một môi trường thậm chí còn được kiểm soát nhiều hơn hiện tại.
>> Tham khảo: Vi khuẩn được thiết kế có thể giúp bảo vệ vi khuẩn đường ruột ‘tốt’ khỏi thuốc kháng sinh.
Mặc dù các nhà nghiên cứu đã xác định các bước tiếp theo cho các nghiên cứu trong tương lai, nhưng kết quả của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ theo dõi các mạng lưới mạch máu có thể sử dụng được cho mục đích thử nghiệm thuốc theo cách chưa từng đạt được trước đây.
Shiku cho biết: “Nghiên cứu này đã phát triển phân tích chuyển hóa oxy cho mô hình mô có mạch máu. “Trong tương lai, các phân tử có thể phát hiện được sẽ được mở rộng và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm sẽ được cải thiện.”
