Algún día, A los médicos les gustaría cultivar miembros y otros tejidos corporales para los soldados que han perdido los brazos en la batalla. niños que necesitan un nuevo corazón o hígado, y muchas otras personas con necesidades críticas. Hoy dia, los profesionales médicos pueden injertar células de un paciente, depositarlos en un andamio de tejido, e inserte el andamio en el cuerpo para estimular el crecimiento de hueso, cartílago y otros tejidos especializados. Pero los investigadores todavía están trabajando para construir órganos complejos que puedan implantarse en los pacientes.

Los científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) apoyan este campo de investigación mediante el desarrollo de un nuevo y prometedor tipo de sensor basado en la luz para estudiar el crecimiento de tejidos en el laboratorio.

El trabajo de prueba de concepto del equipo de NIST, publicado hoy en Sensores y actuadores B , demuestra un pequeño sensor que usa una señal basada en luz para medir el pH, la unidad de medida de la acidez, una propiedad importante en los estudios de crecimiento celular. El mismo diseño básico podría usarse para medir otras cualidades como la presencia de calcio, factor de crecimiento celular y ciertos anticuerpos.

A diferencia de los sensores convencionales, este método de medición podría usarse para monitorear el medio ambiente en un cultivo celular a largo plazo, durante semanas a la vez, sin tener que alterar las células con regularidad para calibrar los instrumentos de detección. Observando las propiedades del tejido en tiempo real a medida que cambian lentamente, durante días o semanas, podría beneficiar enormemente los estudios de ingeniería de tejidos para hacer crecer los dientes, tejido del corazón, tejido óseo y más, dijo el químico del NIST Zeeshan Ahmed.

"Queremos crear sensores que puedan colocarse dentro del tejido en crecimiento para brindar a los investigadores información cuantitativa, "Ahmed dijo." ¿Está realmente creciendo el tejido? Es saludable Si te crece un hueso ¿Tiene las propiedades mecánicas adecuadas o es demasiado débil para soportar un cuerpo? "

El trabajo también podría tener beneficios más allá de la ingeniería de tejidos, en el estudio de la progresión de enfermedades como el cáncer.

"Lo que estos sensores podrían brindar a las personas es información en tiempo real sobre el crecimiento de los tejidos y la progresión de la enfermedad, ", dijo el químico de la American University e investigador invitado del NIST, Matthew Hartings. Los sensores convencionales brindan a los investigadores una serie de instantáneas sin mostrarles el camino entre esos puntos, Hartings dijo. Pero los sensores fotónicos podrían proporcionar a los científicos información continua, el equivalente a una aplicación de navegación GPS para enfermedades.

"Queremos proporcionar a los investigadores un mapa detallado de los cambios incrementales que ocurren a medida que el tejido crece de manera saludable o se enferma". ", Dijo Hartings." Una vez que los investigadores conocen las 'calles' que está tomando una enfermedad, entonces pueden prevenir o apoyar mejor los cambios que están ocurriendo "en el cuerpo de un paciente.

Un problema que resolver

Las mediciones de pH son una parte vital de los estudios de ingeniería de tejidos. A medida que las células crecen, su entorno naturalmente se vuelve más ácido. Si el ambiente se vuelve demasiado ácido, o demasiado básico, las células morirán. Los científicos miden el pH en una escala de 0 (muy ácido) a 14 (muy básico), con un entorno ideal para la mayoría de las células en un rango estrecho alrededor de un pH de 7.

Los instrumentos comerciales de pH son muy precisos pero inestables, lo que significa que requieren calibraciones frecuentes para garantizar lecturas precisas día a día. Sin calibración, Estos medidores de pH convencionales pierden hasta 0,1 unidades de pH de precisión al día. Pero los estudios de ingeniería de tejidos se llevan a cabo en el orden de semanas. Es posible que sea necesario cultivar un cultivo de células madre durante casi un mes antes de que se conviertan en hueso.

"Un incremento de 0,1 pH es significativo, "Ahmed dijo." Si su valor de pH cambia en 1, matas las células. Si después de unos días no puedo confiar en nada sobre mi medición de pH, entonces no voy a utilizar ese método de medición ".

Por otra parte, si los investigadores alteran las células en crecimiento cada vez que tienen que medir el pH del cultivo celular, entonces los científicos están introduciendo otro tipo de incertidumbre en sus mediciones, ya que están alterando el entorno de las células.

¿Qué se necesita para este tipo de investigación? Ahmed dijo:es un sistema de medición que puede permanecer dentro de una incubadora con las células en su medio de cultivo y no es necesario extraerlo ni calibrarlo durante semanas.

Sensores nuevos y valientes

Durante años, Ahmed y su equipo han estado desarrollando sensores fotónicos, pequeños dispositivos livianos que usan señales ópticas para medir una variedad de cualidades, incluida la temperatura, presión y humedad.

Algunos de estos dispositivos novedosos utilizan comercialmente, fibras ópticas flexibles grabadas con una rejilla de Bragg, una especie de filtro de luz que refleja ciertas longitudes de onda y deja pasar otras. Los cambios de temperatura o presión alteran las longitudes de onda de la luz que pueden atravesar la rejilla.

Para adaptar sus dispositivos fotónicos a una medición de pH, Ahmed y Hartings se basaron en un concepto bien conocido en la ciencia:cuando un objeto absorbe luz, la energía absorbida "tiene que ir a alguna parte, "Ahmed dijo, y en muchos casos esa energía se convierte en calor.

"Para cada fotón individual, el calor producido es una cantidad muy pequeña de energía, "Ahmed dijo." Pero si tienes muchos fotones entrando, y tienes muchas moléculas, se convierte en un cambio apreciable de calor ".

Por su demostración, los científicos usaron una sustancia que cambia de color en respuesta a cambios en el pH, un material que mucha gente puede recordar de las clases de biología:polvo de jugo de col lombarda. El jugo de repollo cambia su color de tonos de púrpura oscuro a rosa claro dependiendo de la acidez de la solución. Ese cambio de color puede ser detectado por los sensores fotónicos de temperatura de Ahmed.

Los investigadores llenaron una placa de Petri con la solución de jugo de col. Se colocó una fibra óptica sobre el plato. Se conectó a un puntero láser e iluminó la muestra. Una segunda fibra óptica se incrustó físicamente en el líquido. Esta segunda fibra contenía la rejilla de Bragg y actuaba como sensor de temperatura. El equipo de Ahmed controló el pH de la solución manualmente.

Para realizar una medición, los investigadores proyectaron un color de luz, como el rojo, en la muestra desde arriba. El jugo de repollo absorbió la luz roja en diversos grados según su color, que dependía del pH de la solución en ese momento. La fibra del termómetro fotónico recogió estos ligeros cambios en el calor del jugo. Un cambio de temperatura cambia las longitudes de onda de la luz que pueden pasar a través de la rejilla de Bragg de la fibra.

Próximo, los investigadores hicieron brillar un segundo color de luz, como el verde, en el líquido, y repitió el proceso.

Al comparar cuánto calor generó cada color de luz, los investigadores pudieron determinar el color exacto del jugo de repollo en ese momento, y eso les dijo el pH.

"Literalmente dijimos, '¿Podemos encender y apagar dos punteros láser durante unos minutos y ver si podemos convertir eso en un medidor de pH?', ", Dijo Ahmed." Y pudimos demostrar que funciona en una amplia gama, "de un pH de 4 a un pH de 9 o 10.

El trabajo en curso muestra que las mediciones de pH fotónico tienen una precisión de más o menos 0,13 unidades de pH y son estables durante al menos tres semanas. mucho más que las mediciones convencionales.

Más allá del jugo de repollo

Los investigadores dicen que, según sus colaboradores de ingeniería de tejidos, los nuevos sensores fotónicos podrían proporcionar información útil para una variedad de sistemas biológicos en estudio, particularmente el crecimiento de células cardíacas y óseas.

Para su próxima ronda de experimentos, ya en marcha, los investigadores del NIST están usando otro tinte sensible al pH llamado rojo fenol. Además, están trabajando para encapsular el tinte en una capa plástica alrededor de la fibra misma para que no interactúe con el medio celular. El equipo también está realizando su primera prueba del sistema en un cultivo celular real, con la ayuda de colegas del NIST que se especializan en ingeniería de tejidos.

Los planes futuros incluyen medir cantidades más allá del pH, lo que simplemente requeriría cambiar el rojo de fenol por un tinte diferente sensible a cualquier propiedad que los investigadores quieran medir.

Y mucho más en el futuro, Ahmed espera que el esquema de medición pueda potencialmente usarse para monitorear el crecimiento de tejido en el cuerpo de una persona real.

"El objetivo a largo plazo es poder colocar dispositivos implantables en personas en las que se intenta desarrollar huesos y músculos, y luego, con suerte, con el tiempo, los sensores podrían diseñarse para disolverse y ni siquiera tendría que volver a colocarlos y quitarlos, "Ahmed dijo." Ese es el último sueño. Pero los pequeños pasos primero ".