Um orgão

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8062 (2023) Cite este artigo

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Detalhes das métricas

O monitoramento contínuo da microfisiologia do tecido é um recurso essencial da abordagem organ-on-chip (OoC) para triagem de drogas in vitro e modelagem de doenças. Unidades de detecção integradas são particularmente convenientes para monitoramento microambiental. No entanto, medições sensíveis in vitro e em tempo real são desafiadoras devido ao tamanho inerentemente pequeno dos dispositivos OoC, às características dos materiais comumente usados ​​e às configurações externas de hardware necessárias para suportar as unidades de detecção. Aqui propomos um dispositivo OoC híbrido de silício-polímero que abrange transparência e biocompatibilidade de polímeros na área de detecção e possui características elétricas inerentemente superiores e capacidade de abrigar componentes eletrônicos ativos de silício. Este dispositivo multimodal inclui duas unidades de detecção. A primeira unidade consiste em um transistor de efeito de campo de porta flutuante (FG-FET), que é usado para monitorar mudanças no pH na área de detecção. A tensão limite do FG-FET é regulada por uma porta capacitivamente acoplada e pelas mudanças na concentração de carga nas proximidades da extensão da porta flutuante, que funciona como o eletrodo de detecção. A segunda unidade utiliza a extensão do FG como microeletrodo, a fim de monitorar o potencial de ação das células eletricamente ativas. O layout do chip e sua embalagem são compatíveis com configurações de medição de matriz de vários eletrodos, que são comumente usadas em laboratórios de eletrofisiologia. A detecção multifuncional é demonstrada pelo monitoramento do crescimento de neurônios corticais derivados de células-tronco pluripotentes induzidas. Nosso sensor multimodal é um marco no monitoramento combinado de diferentes parâmetros fisiologicamente relevantes no mesmo dispositivo para futuras plataformas OoC.

Organ-on-chips (OoCs) são dispositivos dinâmicos de cultura de tecidos que visam mimetizar os ambientes microfisiológicos de órgãos in vitro. Eles têm sido empregados para aumentar a relevância da modelagem de doenças e a eficiência do desenvolvimento de medicamentos1. A integração de microfluídica em chips lidera o campo da análise de formulações químicas celulares2, que é crucial para, por exemplo, monitoramento de citotoxicidade3 e diagnóstico de tumores4. Ao recapitular aspectos da fisiologia do órgão no chip, no entanto, vários aspectos devem ser levados em consideração, como forças mecânicas exercidas nos tecidos, sinalização eletrofisiológica entre tipos de células eletricamente ativas e monitoramento de sinais biológicos na matriz extracelular. Esses aspectos dos OoCs têm a capacidade de melhorar a confiabilidade e a relevância fisiológica do sistema5. A este respeito, o monitoramento contínuo e em tempo real de pistas biológicas de culturas de células sem técnicas de rotulagem óptica terminal é crucial. Portanto, a integração de vários sensores em OoCs para medições em tempo real está se tornando a norma, especialmente para sugestões ambientais, como pH ou níveis de oxigênio6, em que a detecção eletroquímica é particularmente conveniente. O desempenho das unidades de detecção é, portanto, crítico. Para aumentar a amplificação do sinal de saída sem a necessidade de circuitos externos, transistores de efeito de campo (FETs) foram implementados como sensores eletroquímicos para extrair informações bioquimicamente relevantes7. Dependendo do revestimento dos eletrodos do transistor, a seletividade para analitos específicos foi demonstrada, como no caso de FETs sensíveis a íons (ISFETs). Os ISFETs são empregados há mais de 50 anos para detectar variações de carga8. No entanto, os ISFETs geralmente precisam de um eletrodo de referência externo e volumoso, que dificilmente pode ser integrado aos dispositivos OoCs de tamanho inerentemente pequeno. Além disso, o eletrodo de referência geralmente é baseado em Ag/AgCl e as variações de carga próximas podem 'desligar' o canal9. Além disso, os sensores baseados em FET são geralmente fabricados em substratos não transparentes (por exemplo, silício), o que os torna inadequados para serem empregados em dispositivos OoC10.