Table of Contents
שילוב ביולוגי לתוך מערכות תרבות תאים שינה באופן יסודי את האופן שבו חוקרים רואים תאים חיים מחוץ לגוף.על ידי הטמעת אלמנטים ביולוגיים ישירות לתוך סביבות תרבות, מדענים עכשיו ללכוד נתונים רצופים, נאמנות גבוהה על חילוף החומרים התאיים, יכולת ותשובות לגירויים. גישה זו בזמן אמת מבטלת את האופי השחור של נקודות קצה מסורתיות, מתן השקפה דינמית של פיזיולוגיה תאית כי מאיץ את התפתחות התרופות, אופטימיזציה בסיסית של תהליכים ביולוגיים.
הבנת ביוסנסורים בתרבות התא
ביוסנסטור הוא מכשיר אנליטי שממיר אירוע הכרה ביולוגית לאותת מדידה. בהקשר של תרבות התא, המרכיב הביולוגי עשוי להיות אנזים, נוגדנים, חומצה נוקלית, או תא חי עצמו. אלמנט ביולוגי זה אינטראקציה במיוחד עם מטרה אנאליטה - כגון גלוקוז, נקה, חמצן, או cyokine - בעוד אינטראקציה פיזית ducic (אלקטרונית, ריכוז אופטי) או אופטי.
הביוסנסורים הראשונים פותחו עבור ניטור גלוקוז, אבל עיצובים מודרניים התרחבו באופן דרמטי.היום, החוקרים יכולים לבחור מתוך חיישנים חד-פעמיים עבור pH או חמצן, או פלטפורמות מרובות-xed אשר עוקבות אחר עשרות מטבוליטים בו-זמנית.
היתרון העיקרי של טכנולוגיית ביוסנסורים על שיטות דגימה קונבנציונלית הוא היכולת לייצר נתונים רצופים, ללא תווית ללא הסרת מדיום תרבות.פרוטוקולים מסורתיים דורשים משיכת מכסות, צנטריפוגות, והפעלה של אסימונים - תהליך המציג עיכוב, צורך דגימות יקרות ערך, והסיכונים לזיהום.
התפקיד הקריטי של מעקב בזמן אמת בתרבות התא
תרבויות תאים הן מערכות דינמיות. בתוך דקות, תאים לצרוך חומרים מזינים, לייצר פסולת, ולשנות את המתח ה- pH והחמצן הסובבים אותם.חוקרים לומדים רעילות סמים, למשל, עשויים להחמיץ אירועים ציטוטוקיטיים טרנסיים המתרחשים בין נקודות דגימה.הנתוני ביוסנסורים בזמן אמת לוכדים שינויים ציציפיים אלה, המציעים תמונה מלאה יותר של בריאות סלולרית.
ניטור בזמן אמת גם מאפשר שליטה הסתגלותית.בייצור ביו-מעבד, כגון ייצור נוגדנים מונוקלוניים או וקטורים ויראליים לטיפול גנטי, שמירה על pH אופטימלי, גלוקוז, רמות לקטטה חיוני עבור תשואה גבוהה. biosensors המשולבים ביולוגיים מאפשרים לולאות משוב אוטומטיות - pumps יכול להוסיף גלוקוז או להתאים את הנפיחות חמצן בהתבסס על חיוורטס, לחסל את הצורך עבור התערבות ידנית.
עבור חוקרים אקדמיים, נתונים בזמן אמת מפחיתים את מספר ההעתקות והנקודות זמן הנדרשים.במקום לקצור תאים במרווחים מרובים, מדידה רציפה אחת יכולה ללכוד את הפרופיל הקינטי המלא של תגובה.זה לא רק חוסך משאבים אלא גם משפר את הכוח הסטטיסטי כי נתונים נאספים בצפיפות גבוהה בהרבה מאשר היתרי אסיעה מסורתיים.
יתר על כן, ניטור בזמן אמת תומך עקרונות של 3Rs (החלפת, ניכוי, סירוב) במחקר בעלי חיים על ידי מתן רלוונטיות יותר מבחינה פיזיולוגית במודלים vitro. ... [+] על-a-chip מסתמכים במידה רבה על ביוסנסורים משולבים כדי לחקות תגובות ברמת איברים, צמצום הצורך בבדיקת בעלי חיים.
שיטות להחדיר ביוסנסורים לתוך מערכות תאים
חיישנים מבוהלים בתרבות בינונית
הגישה הפשוטה ביותר מציבה את החיישן ישירות לתוך המדיום הנוזלי. pH אופטי וחיישנים חמצן, למשל, ניתן לחדור על תחתית צלחת תרבות או מושעה כתם.חיישנים אלה מסתמכים על שינויים בהורדת או קולטים; קורא שהוצב מתחת לסלע היטב פולט אור ואת האמצעים הנפלטים.
חיישנים אלקטרוכימיים יכולים גם להיות מוטבעים.מיקרואלקטרוניקה מודפסים על זכוכית או פולימרנים לשבת בתחתית כלי התרבות.הם לזהות שינויים נוכחיים כמו מטבוליטים Redox-active (לדוגמה, מימן peroxide המיוצר במהלך חמצון גלוקוז) באים במגע עם משטח אלקטרודה.
חיישן ללא פולשני
שיטות לא פולשניות מצמידות חיישנים אל פני השטח החיצוני של כלי התרבות.לדוגמה, סרט פלואורסנט רגיש ל- pH יכול להיות מחובר אל פנים של T-flask. ⁇ חיצוני של סיבים אופטיים קורא את השטף דרך הפלסטיק שקוף, ביטול כל מגע בין החיישן לבין סביבת התא. גישה זו מצמצם את החששות ביו-אופטימיים ומאפשרת שימוש חוזר של כלי השיט לאחר ניקוי.
בדומה לכך, כתמים רגישים לחמצן באמצעות צבעי ruthenium או פלטינה-porphyrin ניתן לדבוק לקיר הפנימי של טפטים או בקבוקי ספיןנר. קורא שמוצב נגד הזכוכית מפיץ את הנקודה ומדגיש את זמן הדעיכה של האור הנפלט. כי החיישן מופרד פיזית מהתאים, ניתן לעבד אותו ללא השפעה על הכימיה.
מיקרו-השפעה ו-Orcor-on-a-Chip Platforms
מערכות מיקרו-השפעה מייצגות את הגבול של שילוב ביוסנסורים.במכשירים אלה, תאים הם תרבותיים בערוצים עם כרכים קטנים כמו כמה מיקרוליטים.חיישנים יכולים להשתלב ישירות לתוך קירות המיקרו-ערוציים או להציב בתאי זיהוי במורד הזרם.
(ג'ורג'-על---עצ'יפ) מכשירים לעתים קרובות משלבים סוגים רבים של ביוסנסורים על שבב יחיד. A Lion-on-a-chip, למשל, עשויים לכלול חיישנים חמצן בערוץ Airway, חיישנים בערוץ הvascular, ומניע אלקטרודות לפקח על שלמות מחסום.
מערכת ניטור אלחוטית ו- Tablet-based Monitoring Systems
הצעות מסחריות האחרונות משלבות ביוסנסורים עם תקשורת Bluetooth או NFC. תגי חיישן קטנים הממוקמים בתוך אינקובטור משדרים pH, COFLT:0203FLT:1, ונתונים חמצן באופן אלחוטי לטאבלט או לסמארטפון.חוקרים יכולים לפקח על ניסויים מרובים מחוץ לחדר הנקי ואזהרות להפרות סף.
דוגמה אחת היא מערכת הביו-PATIRLT ( 1:1), המציעה pH אלחוטי וחיישנים חמצן לשימוש יחיד ביולוגיים.החיישנים הם pre-calibrated ו gamma-irradiated, מוכן לשילוב מיידי לתוך שקיות תרבות חד פעמיות.
סוגי biosensor עבור יישומי תרבות תאים
חיישן pH
pH הוא משתנה מאסטר בתרבות התא.רוב התאים הממאים דורשים pH בין 7.0 ל 7.4; סטייה גורמת לתגובות מתח ובסופו של דבר, apoptosis. biosensor pH מדידות מבוססים בדרך כלל על פלואורנטיה של תרכובות כמו BCCF או SNARF, או על חומרים אלקטרוכימיים-אפקט שדה (ISFET) מבוסס pH הם חיישנים מוצקים, ועלולים להשתלב עם שבבים מיקרו-רגישים.
חיישנים פתורים
חמצן חיוני עבור חילוף החומרים אירובי אבל קשה לשמור על רמות אופטימליות בתרבויות סטטיות.חיישנים חמצן להשתמש או קלארק-טיפוס אלקטרודות (טוב, אבל לצרוך חמצן ודורשת החלמה) או חיישנים אופטיים המבוססים על ריצוף של פלואורסנס תלוי חמצן.האחרון הופך לסטנדרט עבור תרבות התא כי הם לא לצרוך חמצן והם פחות נוטים לסחף.
גלוקוז ו-Latate Sensors
צריכת Glucose ו ייצור לקטטה הם סימני ההיכר של חילוף החומרים גליקוליטי, אינדיקטור מפתח לבריאות התא והפצתו. biosensors מבוסס אנזים מערערימים גלוקוז חמצון או oxidase lactate oxidase על פני השטח חיישן. כאשר גלוקוז או לקטטה הוא נוכח, האנזים לייצר מימן חד תחמוצת, אשר אז מזוהה באופן אמפירי אלה חיישנים חייב להיות סחף בזהירות כדי למנוע מהירויות האחרונות של חלבונים.
טמפרטורות חיישן
אין תחליף למדידה ישירה על פני התרבות: חומרים לעתים קרובות להראות ⁇ טמפרטורה בין המדפים. rmistors קטנים או חיישני סיליקון משולבים ממוקמים ישירות במגע עם כלי התרבות לספק קריאה מדויקת עבור שליטה על אלמנטים חימום.
biosensors
כמה פלטפורמות מתקדמות להשתמש תאים חיים עצמם כמו אלמנט רגיש.לדוגמה, קו תאים מהונדס גנטית כדי לבטא אינדיקטור סידן פלורססנט יכול לשמש ביוסנסטור לשחרור נוירוטרנסמיטר. בעוד לא חיישן מסורתי, סוג זה של ביוסנסטור מתאים להגדרה ומציע מפרט שאין כמוהו עבור יישומים מסוימים, במיוחד נוירוביולוגיה.
יתרונות של Biosensor-Integrated Cell Culture Systems
היתרונות מרחיבים הרבה מעבר לנוחות:
- (FLT:0) ,Immediate Feedback for Decision-MakingFLT) 1 - עם נתונים בזמן אמת, החוקרים יכולים להתערב בתוך דקות, התאמת לוחות הזמנים של האכלה, מינון, או פרמטרים סביבתיים.זה קריטי בניסויים רגישים בזמן כמו בדיקת רעילות לסמים.
- (FLT:0) ניטור לא פולשני של ההרחבה 1 (לא פולשנית) - כי ביוסנסורים למדוד ישירות דרך כלי התרבות או בתוך המדיום, אין צורך להסיר דגימות.זה מקטין את הסיכון לזיהום, משמר את נפח התרבות, ומבטל את הלחץ כי דגימה מטילים על תאים.
- (FLT:0) גבוה יותר דונות נתונים דנטליות 1 (Higher Data DensityFLT:1), כלומר, מדדי נקודת קצה מסורתיים מניבים מדידות חד פעמיות.
- (FLT:0) אוטומטים ו-High-באמצעות חישוב CompatibilityFLT ( 1:1) - קוראי צלחת רב-וול עם חיישנים פלואורומטיים משולבים יכולים לפקח על 96 או 384 בארות בו זמנית.כאשר בשילוב עם רובוטים דליקים נוזליים, הניסוי כולו מהתבוננות לניתוח הופך אוטומטי לחלוטין.
- (FLT:0) שיפור והתאמה לתקינה 1:1) – יכולת הדגימה האנושית מסולקת.כל טוב נמדד בתנאים זהים, והחיישנים עצמם מספקים התייחסות עקבית לכל הניסויים.
- (FLT:0) ,Diged Sample VolumeFLT:1 - חומרים נדירים כמו תאים ראשוניים או אבראידים מאוגדים, ניטור ביוסנסטור משמר כל תא. אינטגרציה מיקרופלודית יכול להפחית את נפח הדגימה הנדרשת למספר מיקרוליטים.
אתגרים נוספים ב-Biosensorאינטגרציה
למרות ההבטחה שלהם, ביוסנסורים עומדים בפני כמה מכשולים בתרבות התאית שגרתית:
זמינות ו-Laching
חומר החיישן חייב לא להחרים תרכובות רעילות או לשנות את הסביבה התרבות.חיישנים אלקטרוכימיים רבים מכילים מתכות כבדות או חומרי אלקטרודה התייחסות שיכולים להיות ציטוטוקינים.
חיישן Drift ו- Calibration
חיישנים מבוססי אנזים מאבדים פעילות לאורך זמן בשל מחיקת חלבון, מרעזים על ידי פסולת תאים, או השפלה של שכבת האנזים.סחף ארוך טווח של כמה אחוזים ליום הוא נפוץ.כדי לפצות, החוקרים לעתים קרובות משתמשים בשקודה דו-נקודות לפני כל ניסוי ובדוק עם פתרון בקרה מעת לעת.
תאימות ל-Sterilization Compatibility
Autoclaving, gamma irradiation, ו סטרילינטים כימיים יכולים להפיג רכיבי חיישן.חיישנים אופטיים הם בדרך כלל חזקים יותר מאשר אלקטרו-כימיקליים, אבל שום חיישן לא שורד את כל שיטות הסטריליזציה.המגמה בתעשייה היא לעבר שימוש יחיד, חתומי חיישן טרום סטריליים שאינם מחוסנים לאחר כל אצווה, ובכך מבטלים את הצורך עבור סטריליזציה חוזרת.
שקיפות ובחירת
מדיה מורכבת מכילה תרכובות פעילות אלקטרוכימית רבות שיכולות להפריע לקריאה של חיישן.לדוגמה, חומצה כמוקורטבית וחומצה uric הם להפריע נפוצים עבור חיישני גלוקוז אמפרומטריים.בחירת פוטנציאל עבודה מתאים, באמצעות membranes permselective, או הפעלת אלקטרודה שנייה יכול להפחית את הבעיה.
ניהול נתונים וניתוח
דור נתונים רציף מייצר כמויות גדולות של מידע שיש לאחסן, מעובד, ומתואם עם פרמטרים ניסיוניים אחרים.פלטפורמות מבוססות ענן כמו FLT:0Agilent Seahorse XFLT:1 מציעים תוכנה משולבת אשר באופן אוטומטי להפיק שיעורי חילוף חומרים מסימנים גולמיים, אבל מעבדות קטנות יותר עלולות להיאבק עם דרישות מודיעיניות של נתונים רב-חושיים.
כיוונים עתידיים: חיישנים חכמים, AI, ו-Orcor-on-a-Chip
הדור הבא של תרבות התא הביוסנסטור-מעורפל יגדיר על ידי מיניטוריזציה, אינטליגנציה וקישוריות. חוקרים ב-MIT והארוורד כבר הוכיחו חיישנים "e-skin" התואמים את פני השטח העקומים של איברים, המאפשרים מיפוי רב-פרמטר ברזולוציה של תאים בודדים.חיישנים אלה משתמשים באלקטרוניקה מתוחה ויכולים להיות מוחלים ללא פולשניים לתרבויות תלת-ממדיות.
אינטליגנציה מלאכותית תמלא תפקיד גובר בפירוש זרמי נתונים ביוסנסורים.אלגוריתמים של למידת מכונות יכולים לזהות דפוסים כי מוות תאים לפני המוות תאים, לזהות חלונות האכלה אופטימליים, ולנבא את התשואה של מעבד ביולוגי לפני שהוא שלם. מחקרים מוקדמים המשלבים למידה עמוקה עם ביושמים המבוססים על עכבות הראו > 90% דיוק בחיזוי יכולת הכדאיות של קרדיוציטים תאיים.
כוח ותקשורת אלחוטיים ישחררו חיישנים ממכשירים פיזיים.חיישנים מונעים באופן אינדוקטיבי יכולים להיות ממוקמים בתוך incubators חתומה ועדיין להעביר נתונים מרחוק.זה כבר נפוץ ביולוגיים תעשייתיים, אבל הופך להיות אפשרי עבור לוחיות רב-וולות אקדמיות.
לבסוף, ההתכנסות של ביוסנסורים עם אורגן-על-עצ'יפ ופלטפורמות גוף-על-עצ'יפ תיצור "מטופלים וירטואליים" שניתן להשתמש בהם לצורך בדיקות סמים מותאמות אישית. שבב המכיל מודלים רבים של רקמות איברים - כל אחד עם חבילת הביוסנסורים שלו - יכול להגיב למועמד סמים באופן שממחיש את הגוף האנושי.
בטווח הקרוב יותר, אנו יכולים לצפות לשיפורים מתמשכת בתוחלת החיים, יכולת מרובותxing, ופיתוח של חיישני "עצמי-קלירינג" המשתמשים בסטנדרטים פנימיים כדי לתקן עבור סחף.חמש השנים הבאות סביר לראות את הראשון משולב לחלוטין, סגור-פרלופ תרבות בתוך מחסנים המשלבים קריאות ביוסנסורים עם pH אוטומטי, p2, ובקרת תזונתית - הופך באופן מסורתי בתוך תא משולבת ובודד לתוך ביו-קומחדש-קומחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-מחדש-משלב.
השילוב של ביוסנסורים בתרבות התא הוא כבר לא מותרות ניסיונית; הוא הופך כלי חיוני לכל מעבדה הדורשת מידע אמין, הדדי ורזולוציה גבוהה. כמו הטכנולוגיה בוגרת ואת האתגרים של ביו-תחרותיות, קליברציה, ועלות מטופלים, ניטור בזמן אמת יהיה שגרתי כמו שינוי המדיום - אבל אינפורמטיבי יותר.