Un organo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8062 (2023) Citare questo articolo

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Il monitoraggio continuo della microfisiologia dei tessuti è una caratteristica fondamentale dell'approccio organ-on-chip (OoC) per lo screening dei farmaci in vitro e la modellazione delle malattie. Le unità di rilevamento integrate sono particolarmente convenienti per il monitoraggio microambientale. Tuttavia, le misurazioni sensibili in vitro e in tempo reale sono impegnative a causa delle dimensioni intrinsecamente ridotte dei dispositivi OoC, delle caratteristiche dei materiali comunemente utilizzati e delle configurazioni hardware esterne necessarie per supportare le unità di rilevamento. Qui proponiamo un dispositivo OoC ibrido silicio-polimero che comprende la trasparenza e la biocompatibilità dei polimeri nell'area di rilevamento e ha caratteristiche elettriche intrinsecamente superiori e la capacità di ospitare componenti elettronici attivi del silicio. Questo dispositivo multimodale comprende due unità di rilevamento. La prima unità è costituita da un transistor ad effetto di campo a gate flottante (FG-FET), utilizzato per monitorare le variazioni di pH nell'area di rilevamento. La tensione di soglia dell'FG-FET è regolata da un gate accoppiato capacitivamente e dai cambiamenti nella concentrazione di carica in prossimità dell'estensione del gate flottante, che funziona come elettrodo di rilevamento. La seconda unità utilizza l'estensione dell'FG come microelettrodo, per monitorare il potenziale d'azione delle celle elettricamente attive. Il layout del chip e la sua confezione sono compatibili con le configurazioni di misurazione di array multielettrodo, comunemente utilizzate nei laboratori di elettrofisiologia. Il rilevamento multifunzionale è dimostrato monitorando la crescita dei neuroni corticali derivati ​​da cellule staminali pluripotenti indotte. Il nostro sensore multimodale rappresenta una pietra miliare nel monitoraggio combinato di diversi parametri fisiologicamente rilevanti sullo stesso dispositivo per le future piattaforme OoC.

Gli organ-on-chips (OoC) sono dispositivi dinamici per la coltura dei tessuti che mirano a imitare gli ambienti microfisiologici degli organi in vitro. Sono stati impiegati per migliorare la rilevanza della modellizzazione della malattia e l'efficienza dello sviluppo di farmaci1. L'integrazione della microfluidica nei chip è all'avanguardia nel campo dell'analisi della formulazione chimica cellulare2, che è fondamentale, ad esempio, per il monitoraggio della citotossicità3 e la diagnostica dei tumori4. Nel ricapitolare gli aspetti della fisiologia degli organi su chip, tuttavia, dovrebbero essere presi in considerazione diversi aspetti, come le forze meccaniche esercitate sui tessuti, la segnalazione elettrofisiologica tra tipi di cellule elettricamente attive e il monitoraggio dei segnali biologici nella matrice extracellulare. Questi aspetti degli OoC hanno la capacità di migliorare l'affidabilità e la rilevanza fisiologica del sistema5. A questo proposito, è fondamentale il monitoraggio continuo e in tempo reale dei segnali biologici provenienti da colture cellulari senza tecniche di etichettatura ottica terminale. Pertanto, l'integrazione di più sensori negli OoC per misurazioni in tempo reale sta diventando la norma, soprattutto per i segnali ambientali, come il pH o i livelli di ossigeno6, per cui il rilevamento elettrochimico è particolarmente conveniente. Le prestazioni delle unità di rilevamento sono quindi critiche. Per aumentare l'amplificazione del segnale in uscita senza la necessità di circuiti esterni, sono stati implementati transistor ad effetto di campo (FET) come sensori elettrochimici per estrarre informazioni biochimicamente rilevanti7. A seconda del rivestimento degli elettrodi del transistor, è stata dimostrata la selettività verso analiti specifici, come nel caso dei FET sensibili agli ioni (ISFET). Gli ISFET sono utilizzati da più di 50 anni per rilevare le variazioni di carica8. Tuttavia, gli ISFET hanno solitamente bisogno di un elettrodo di riferimento esterno e ingombrante, che difficilmente può essere integrato nei dispositivi OoC intrinsecamente di piccole dimensioni. Inoltre, l'elettrodo di riferimento è solitamente basato su Ag/AgCl e le variazioni di carica nelle immediate vicinanze potrebbero "spegnere" il canale9. Inoltre, i sensori basati su FET sono solitamente fabbricati su substrati non trasparenti (ad esempio, silicio) che li rendono inadatti all'impiego in dispositivi OoC10.