Optical sensor system for monitoring the pH of cellular media: application to an organ-on-a-chip platform

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia FísicapH is a physiological parameter that changes its value according to cellular state of a human organ. When a tumour is being developed, it is known that they have a more acid interstitial pH than normal tissues. This is mainly due to the high metabolic activity of the abnormal cells with increase of acidic sub-products and the absence of organised vasculature of tumours, that leads to poor tissue oxygenation. Indeed, in in vitro animal systems, such as static cell culture experiments or advanced microfluidic devices, the cell’s metabolic activity during incubation causes the alteration of the cell culture pH, which drops the pH from close to the physiological (7.4) to acidic ones (lower than 7.0). Because low environmental pH inhibits cell survival, proliferation and activity, cell culture media has to be consecutively replaced for fresh one. For the pH monitoring, cell culture media is, in general, complemented with a pH colorimetric indicator (e.g. phenol red). However, the colour change of the cell culture media does not quantify the pH value. For this reason, the monitoring and quantification of cell culture medium pH, especially in advanced cell culture devices, such as organ-on-a-chip (OoC), which contain healthy and/or tumour organ models, is still a challenge and a parameter of utmost importance for the maintenance of homeostasis (auto-regulation). The pH of tissues can be measured by a variety of techniques, being pH electrodes the most used. Nevertheless, other methods can be used for pH measurement, such as optical sensors. In general, this technique eliminates the tissue injury effects, but results in an integrated measurement over a long period and demanding a relatively large volume of sample. Particularly, in OoC platforms, the small size of each OoC constituent part, has triggered the development of micro(bio)sensors to be integrated in the microchambers that feed the perfusion chambers containing the organ models, which are used for monitoring the pH of the cell culture media in circulation. In this study, a literature review of pH sensors that can be miniaturised and integrated in OoC was investigated. Based on this previews literature research, and the presence of a colorimetric pH indicator (phenol red) that is commercially added to cell culture media, a miniaturization of an optical pH sensor, for real-time sensing of the cell culture medium feeding advanced microfluidic devices was investigated. This strategy can have several advantages, such as low-cost implementation and improvement of the pH reading based on the beam-splitter phenomenon. For this purpose, a microchamber, processed by micromilling in PMMA, was developed and optimised to support the pH optical sensing system, creating a prototype device that can be directly incorporated into an OoC platform. For the pH sensing experiments, buffered solutions with stablished pH and phenol red were used to test and optimize the optical sensor, by analysing their transmittance signal. In this study, the colorimetric pH indicator (phenol red) was added in the same concentration than the one used in commercial cell culture media. The results shown that the pH reading was successful achieved in intervals of 0.2 pH units, in a range between 6.0 to 8.0.O pH é um parâmetro fisiológico, cujo valor se altera de acordo com o estado celular de um órgão humano. Quando um tumor está em poliferação, este tem um pH intersticial mais ácido do que os tecidos normais. Isto deve-se principalmente à elevada atividade metabólica das células anormais com o aumento de subprodutos ácidos e a ausência de vasculatura organizada dos tumores, que leva à pobre oxigenação dos tecidos. De facto, em sistemas animais in vitro, tais como experiências de cultura celular estática ou dispositivos microfluídicos avançados, a atividade metabólica da célula durante a incubação provoca a alteração do pH da cultura celular, que baixa o pH de perto do fisiológico (7.4) para um mais ácido (inferior a 7.0). O baixo pH fisiológico inibe a sobrevivência, proliferação e atividade celular, e, em consequência, os meios de cultura celular têm de ser substituídos consecutivamente. Para a monitorização do pH, os meios de cultura celular são, em geral, complementados com um indicador colorimétrico de pH (por exemplo, vermelho de fenol). No entanto, a mudança de cor dos meios de cultura celular não quantifica o valor do pH. Por esta razão, a monitorização e quantificação do pH dos meios de cultura celular, especialmente em dispositivos avançados de cultura celular, tais como Organ-on-a-chip (OoC), que contêm modelos de órgãos saudáveis e/ou tumorais, é ainda um desafio e um parâmetro da maior importância para a manutenção da homeostase (autorregulação). O pH dos tecidos pode ser medido por uma variedade de técnicas, sendo os elétrodos de pH os mais utilizados. Contudo, outros métodos podem ser utilizados para a medição do pH, tais como os sensores óticos. Esta técnica elimina os efeitos da lesão tecidual, mas resulta numa medição integrada durante um longo período e a partir de um volume relativamente grande de amostra. Particularmente, nas plataformas de OoC, o pequeno tamanho de cada parte constituinte de OoC, desencadeou o desenvolvimento de micro(bio)sensores para serem integrados nas microcâmaras que alimentam as câmaras de perfusão, as quais contêm os modelos de órgãos, e que podem ser utilizados para monitorizar o pH dos meios de cultura celular em circulação. Neste estudo, foi investigada uma revisão bibliográfica de sensores de pH que podem ser miniaturizados e integrados na OoC. Com base nesta pesquisa bibliográfica prévia, e a presença de um indicador colorimétrico de pH (vermelho fenol) que é comercialmente adicionado aos meios de cultura celular, foi investigada uma miniaturização de um sensor ótico de pH para a deteção em tempo real do meio de cultura celular que alimenta dispositivos microfluídicos avançados. Esta estratégia pode ter várias vantagens, tais como a implementação a baixo custo e a melhoria da leitura do pH com base no fenómeno do separador de feixe. Para este efeito, foi desenvolvida e otimizada uma microcâmara, processada por micromilling em PMMA, para apoiar o sistema de deteção ótica de pH, criando um dispositivo protótipo que pode ser diretamente incorporado numa plataforma OoC. Para as experiências de deteção de pH, foram utilizadas soluções tampão com pH estabilizado e vermelho fenol para testar e otimizar o sensor ótico, através da análise do seu sinal de transmitância. Assim, o indicador colorimétrico de pH vermelho de fenol foi adicionado na mesma concentração encontrada nos meios de cultura celular comerciais. Os resultados mostram que a leitura do pH foi bem-sucedida em intervalos de 0.2 unidades de pH, num intervalo entre 6.0 a 8.0.This work results partially of the project NORTE-01-0145-FEDER-029394, RTChip4Theranostics, supported by Programa Operacional Regional do Norte - Norte Portugal Regional Operational Programme (NORTE 2020), under the PORTUGAL 2020 Partnership Agreement, through the European Regional Development Fund (ERDF) and by Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), IP, project reference PTDC/EMD-EMD/29394/2017