Algún día, a los médicos les gustaría cultivar extremidades y otros tejidos corporales para los soldados que han perdido armas en la batalla, los niños que necesitan un corazón o hígado nuevo y muchas otras personas con necesidades críticas. Hoy en día, los profesionales médicos pueden injertar células de un paciente, deposítelos 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 están apoyando este campo de investigación mediante el desarrollo de un nuevo y prometedor tipo de sensor basado en luz para estudiar el crecimiento de tejidos en el laboratorio.
El trabajo de prueba de concepto del equipo NIST, publicado hoy en Sensores y actuadores B , muestra un pequeño sensor que utiliza una señal basada en la 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 ambiente en un cultivo celular a largo plazo, durante semanas a la vez, sin tener que perturbar las células regularmente para calibrar los instrumentos de detección. Observando las propiedades del tejidoen tiempo real a medida que cambian lentamente, durante días o semanas, podrían beneficiar enormemente los estudios de ingeniería de tejidos para hacer crecer dientes, tejido cardíaco, tejido óseo y más, dijo el químico del NIST, Zeeshan Ahmed.
"Queremos hacer sensores que se puedan colocar dentro del tejido en crecimiento para dar a los investigadores información cuantitativa", dijo Ahmed. "¿El tejido en realidad está creciendo? ¿Es saludable? Si crecen un hueso, ¿tiene las propiedades mecánicas correctas o¿es demasiado débil para soportar un cuerpo? "
El trabajo podría tener beneficios más allá de la ingeniería de tejidos también, 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 e investigador invitado de NIST Matthew Hartings de la Universidad de Estados Unidos. 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 sepan las 'calles' que está tomando una enfermedad, entonces puedenmejor prevenir o apoyar los cambios que están ocurriendo "en el cuerpo de un paciente".
Un problema por resolver
Las mediciones de pH son una parte vital de los estudios de ingeniería de tejidos. A medida que las células crecen, su entorno se vuelve naturalmente más ácido. Si el entorno se vuelve demasiado ácido, o demasiado básico, las células morirán. Los científicos miden el pH en una escala a partir de0 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 diariamente. Pero los estudios de ingeniería de tejidos se realizan en el pedidode 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", dijo Ahmed. "Si su valor de pH cambia en 1, mata las células. Si después de unos días no puedo confiar en nada acerca de mi medición de pH, entonces no estoy segurova a usar ese método de medición "
Por otro lado, 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.
Ahmed dijo que lo que se necesita para este tipo de investigación es un sistema de medición que puede permanecer dentro de una incubadora con las células en su medio de cultivo y no es necesario retirarlo ni calibrarlo durante semanas.
Nuevos sensores valientes
Durante años, Ahmed y su equipo han estado desarrollando sensores fotónicos, pequeños dispositivos livianos que usan señales ópticas para medir un rango de cualidades que incluyen temperatura, presión y humedad.
Algunos de estos nuevos dispositivos utilizan fibras ópticas flexibles disponibles en el mercado grabadas con una rejilla de Bragg, un tipo de filtro para la luz que refleja ciertas longitudes de onda y permite que otros pasen. Los cambios en la temperatura o la presión alteran las longitudes de onda de la luz que pueden atravesarla reja
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 algún lado", dijo Ahmed, y en muchos casos esa energíase convierte en calor.
"Para cada fotón individual, el calor producido es una cantidad muy pequeña de energía", dijo Ahmed. "Pero si tiene muchos fotones entrando y tiene muchas moléculas, se convierte en un cambio apreciable en el calor".
Para su demostración, los científicos usaron una sustancia que cambia de color en respuesta a los cambios en el pH, un material que muchas personas pueden recordar de las clases de biología: jugo de col roja en polvo. El jugo de col cambia su color de tonos de púrpura oscuro a rosa clarodependiendo de la acidez de una solución. Ese cambio de color puede ser captado por los sensores de temperatura fotónicos de Ahmed.
Los investigadores llenaron una placa de Petri con la solución de jugo de repollo. Se colocó una fibra óptica sobre la placa. Se conectó a un puntero láser y se iluminó la muestra. Una segunda fibra óptica se incrustó físicamente en el líquido. Esta segunda fibracontenía 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 arrojaron 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 soluciónen ese momento. La fibra del termómetro fotónico detectó estos ligeros cambios en el calor del jugo. Un cambio en la temperatura cambia las longitudes de onda de la luz que pueden pasar a través de la rejilla Bragg de la fibra.
Luego, los investigadores arrojaron un segundo color de luz, como el verde, en el líquido y repitieron el proceso.
Al comparar la cantidad de calor generado por cada color de luz, los investigadores pudieron determinar el color exacto del jugo de repollo en ese momento, y eso les indicó 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 funcionaun amplio rango ", desde un pH de 4 a un pH de 9 o 10.
El trabajo en curso muestra que las mediciones de pH fotónico son precisas a más o menos 0,13 unidades de pH y son estables durante al menos tres semanas, mucho más tiempo que las mediciones convencionales.
Más allá del jugo de col
Los investigadores dicen que, según sus colaboradores en ingeniería de tejidos, los nuevos sensores fotónicos podrían proporcionar información útil para una variedad de sistemas biológicos en estudio, particularmente el crecimiento de las células del corazón y los huesos.
Para su próxima ronda de experimentos, ya en curso, los investigadores del NIST están utilizando otro colorante sensible al pH llamado rojo fenol. Además, están trabajando para encapsular el colorante en un recubrimiento plástico alrededor de la fibra para que no interactúecon 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 usarse potencialmente para monitorear el crecimiento de tejido en el cuerpo de una persona real.
"El objetivo a largo plazo es poder colocar dispositivos implantables en las personas en las que intentas hacer crecer huesos y músculos, y luego con suerte, con el tiempo, los sensores podrían diseñarse para disolverse y ni siquiera tendrías que irVuelva a entrar y retírelos ", dijo Ahmed." Ese es el sueño final. Pero los primeros pasos del bebé ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Original escrito por Jennifer Lauren Lee. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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