Nabłonek przewodu pokarmowego jest przykładem tkanki barierowej, która kontroluje przepływ cząsteczek między różnymi przedziałami ciała. Nabłonek składa się z wydłużonych komórek walcowatych połączonych ze sobą kompleksami białek, które zapewniają fizyczną barierę1 przed patogenami i toksynami, jednocześnie umożliwiając przepływ wody i składników odżywczych niezbędnych do utrzymania organizmu. Ta selektywność wynika z polaryzacji komórek nabłonkowych, która tworzy dwie różne domeny błonowe: wierzchołkową stronę komórek wystawioną na światło i podstawową stronę komórek zakotwiczonych w leżących poniżej tkankach2,3. Połączenia ścisłe (TJ) to kompleksy białek obecne w wierzchołkowej części komórek nabłonkowych i są częścią większego kompleksu znanego jako połączenie wierzchołkowe4. Przepływ jonów przez tkankę barierową może przebiegać przez szlak transkomórkowy (przez komórkę) lub parakomórkowy (między dwiema sąsiednimi komórkami). Suma transportu przez obie drogi jest znana jako opór przeznabłonkowy. Złącze wierzchołkowe jest odpowiedzialne za regulację jonów i cząsteczek przechodzących przez barierę5,6 poprzez specyficzną funkcję otwierania i zamykania. Dysfunkcja lub zakłócenie tych kompleksów białkowych jest często związane z chorobą7-11. Ponadto wiadomo, że wiele patogenów/toksyn jelitowych jest specyficznie ukierunkowanych na ten kompleks, wnikając w ten sposób do organizmu i prowadząc do biegunki, najprawdopodobniej w wyniku masywnego rozregulowania przepływu jonów / wody przez barierę12-14. Tkanka barierowa może być również modyfikowana poprzez zmianę mikrośrodowiska zewnątrzkomórkowego. Kadheryna jest białkiem krytycznym dla adhezji komórka-komórka i bierze udział w tworzeniu połączenia wierzchołkowego. Wapń jest niezbędny do prawidłowej konformacji strukturalnej kadheryny, a wykazano, że spadek wapnia zewnątrzkomórkowego powoduje zniszczenie połączenia komórka-komórka, a następnie otwarcie szlaku parakomórkowego między komórkami15. W tym badaniu EGTA (Ethylene glycol-bis(beta-aminoethyl ether)-N,N,N',N'-tetra octowy kwas), specyficzny chelator wapnia, został użyty do wywołania pęknięcia w tkance barierowej, ponieważ wykazano, że ma szybki i drastyczny wpływ na przepływ jonów przykomórkowych16,17. Ten chelator wapnia zastosowano na zlewającej się i zróżnicowanej monowarstwie linii komórkowej Caco-2. Wiadomo, że ta linia komórkowa, hodowana we wkładkach do hodowli komórkowych, rozwija cechy przewodu pokarmowego i jest szeroko stosowana w przemyśle farmaceutycznym do testowania wchłaniania leków18,19.
Metod monitorowania integralności tkanki barierowej jest mnóstwo. Metody te są często optyczne, polegając na barwieniu immunofluorescencyjnym określonych białek, o których wiadomo, że znajdują się na złączu wierzchołkowym20, lub polegają na oznaczaniu ilościowym fluorescencyjnej cząsteczki znacznikowej, która jest normalnie nieprzepuszczalna dla tkanki barierowej21,22. Jednak metody bez znakowania (tj. bez fluoroforu/chromoforu) są preferowane, ponieważ użycie etykiety może powodować artefakty i często zwiększa koszty i czas testu. Elektryczne, bezznacznikowe monitorowanie tkanki barierowej stało się ostatnio metodą dynamicznego monitorowania23. Na przykład niedawny postęp technologiczny w dziedzinie spektroskopii impedancji elektrycznej pozwolił na opracowanie dostępnego na rynku aparatu skanującego24,25, który może mierzyć opór przeznabłonkowy (TER), czyli pomiar przewodnictwa jonów w warstwie komórkowej.
Elektronika organiczna stworzyła wyjątkową okazję do połączenia świata elektroniki i biologii26,27 28,29 poprzez użycie przewodzących polimerów, które mogą przewodzić zarówno nośniki elektroniczne, jak i jonowe. Niedawno wprowadzono nową technikę wykrywania naruszeń w tkance barierowej za pomocą OECT30-32. To urządzenie zostało zweryfikowane pod kątem istniejących technik stosowanych do oceny integralności tkanki barierowej, w tym immunofluorescencji, testów przepuszczalności przy użyciu żółtego Lucyfera i spektroskopii impedancyjnej przy użyciu Cellzscope. W przypadku wszystkich badanych związków toksycznych stwierdzono, że OECT działa z równą lub lepszą czułością i zwiększoną rozdzielczością czasową w porównaniu z powyższymi technikami. W tym urządzeniu PEDOT:PSS, polimer przewodzący, który okazał się stabilny i biokompatybilny33,34, jest używany jako materiał aktywny w kanale tranzystorowym. OECT składa się z elektrod drenujących i źródłowych po obu stronach przewodzącego kanału polimerowego. Jest on następnie umieszczany w kontakcie z elektrolitem, który stanowi integralną część urządzenia. Elektroda bramki jest zanurzona w elektrolicie (rysunek 1), a gdy na bramce zostanie przyłożone dodatnie napięcie bramki, kationy z elektrolitu są wtłaczane do kanału, powodując w ten sposób dodomieszkowanie przewodzącego polimeru i powodując zmianę prądu drenu źródła. Dzięki temu urządzenie jest niezwykle wrażliwe na drobne zmiany strumienia jonowego spowodowane wzmocnieniem przez tranzystor. Warstwę komórkową wyhodowaną na wkładzie do hodowli komórkowej umieszczono między elektrodą bramki a kanałem z przewodzącego polimeru. Obecność nienaruszonej warstwy komórkowej działa jako bariera dla kationów wchodzących do polimeru przewodzącego, dlatego w obecności nienaruszonej monowarstwy prąd drenu zmniejsza się (rysunek 2: przejście z regionu a do b). W obecności toksycznego związku tkanka barierowa będzie stopniowo tracić swoją integralność, umożliwiając kationom wejście do filmu polimerowego i zwiększając prąd drenażowy (rysunek 2: region c). Dzięki tej technice pęknięcie w tkance barierowej jest widoczne poprzez modulację prądu drenażowego, odpowiadającą modulacji strumienia w poprzek monowarstwy. To urządzenie jest w stanie mierzyć drobne zmiany strumienia jonowego z niespotykaną rozdzielczością czasową i czułością w czasie rzeczywistym. Technologia ta będzie interesująca w dziedzinie toksykologii do testowania leków, diagnostyki chorób lub badań podstawowych, ponieważ model bariery można łatwo dostosować. Metoda ta przyczyni się również do ograniczenia eksperymentów na zwierzętach, ponieważ pozwoli na walidację modeli in vitro w celu zastąpienia badań in vivo.