Name: BioMEMS والبيولوجيا الخلوية : وجهات نظر والتطبيقات (فيديو) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: استكشف تقنيات BioMEMS والأنظمة الميكروية السائلة لتحسين زراعة الخلايا في علم الأعصاب. تساعد هذه الطرق المتقدمة الباحثين على محاكاة الظروف الفسيولوجية بدقة أكبر.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

biomems والبيولوجيا الخلوية : وجهات نظر والتطبيقات

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

القدرة على الخلايا ثقافة ثورة اختبار الفرضيات الأساسية في الخلية والبيولوجيا الجزيئية البحوث. فقد أصبح من منهجية موحدة في فحص المخدرات والسموم ، وفحوصات السريرية ، ويستخدم بشكل متزايد في مجال الطب التجديدي. ومع ذلك ، فقد أصبحت ثقافة منهجية الخلية التقليدية التي تتألف أساسا من الانغماس في عدد كبير من السكان من الخلايا في وسائل متجانسة والمتوسطة على الركيزة شقة متجانسة تحد بشكل متزايد سواء من منظور أساسي وعملي. وقد مكنت تقنيات التصنيع الدقيق للباحثين تصميم ، مع سيطرة ميكرومتر ، وتكوين طوبولوجيا البيوكيميائية والركيزة ، وتكوين المتوسطة ، فضلا عن نوع من الخلايا المجاورة في المكروية الخلوية المحيطة بها. بالإضافة إلى ذلك ، هو المفهوم التكنولوجيات الدقيقة مناسبة تماما لتنمية سريعة ومنخفضة التكلفة في أنظمة الأنابيب التي تسمح للزراعة عالية الإنتاجية وتحليل الخلايا تحت أعداد كبيرة من الشروط. في هذه المقابلة ، والبرت Folch يفسر هذه القيود ، وكيف يمكن التغلب عليها مع الطباعة الحجرية الناعمة و microfluidics ، ويصف بعض الأمثلة ذات الصلة للبحث في مختبره والاتجاهات المستقبلية.

BioMEMS والبيولوجيا الخلوية : وجهات نظر والتطبيقات

لقد أحدثت القدرة على زراعة الخلايا ثورة في اختبار الفرضيات في أبحاث البيولوجيا الخلوية والجزيئية الأساسية، حيث أصبحت منهجية قياسية في ...

أنا ألبرت فالك، أستاذ في جامعة واشنطن في سياتل، وأعمل في المجال الواسع للأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة للمجال الحيوي الطبي (biomes). ونحن نعمل على الموائع الدقيقة ونركز على تطبيقاتها في بيولوجيا الخلية، وبشكل أساسي في علوم الأعصاب.أحد تركيزات المختبر هو محاولة التغلب على قيود تقنية زراعة الخلايا التقليدية. إذا نظرت إلى الطريقة التي يدرس بها علماء بيولوجيا الخلية الخلايا في المختبر (in vitro) في طبق بيتري، ستلاحظ فوراً أن الخلايا مغمورة في وسط زراعة خلوي متجانس، كما أنها تستقر على سطح متجانس أيضاً. ومع ذلك، فإن الخلايا في الجسم لا تتواجد على سطح متجانس.إنها لا تسبح في وسط متجانس، بل تتعرض في الواقع لمجموعة متنوعة من الإشارات التي تتغير مكانياً وزمانياً، وغالباً ما تكون على شكل تدرجات، كما أنها محاطة بمصفوفة من النوع الهلامي. وهناك أيضاً بعض القيود العملية عند دراسة الخلايا في طبق بتري، حيث تحتاج إلى حاضنة، وهي قطعة من المعدات كبيرة وثمينة الثمن.عادةً ما يرغب علماء الأحياء في دراسة مجموعة متنوعة من الظروف المختلفة؛ فعلى سبيل المثال، قد يرغبون في دراسة الخلايا في مزرعة خلوية A ومزرعة خلوية B. وهناك تباين كبير في كيفية استجابة الخلايا لهذه المركبات، لذا يقوم علماء الأحياء عادةً بوضع الخلايا في أطباق بتري مختلفة، وربما يجرون ذلك في ثلاث مكررات، ثم يدرسون مجموعة من الظروف، مما يؤدي في النهاية إلى استهلاك كميات كبيرة من الوسط الزرعي للخلايا، والمستلزمات، والأطباق، وهو ما يتطلب مساحة كبيرة.لذا، نحن نحاول تصغير ذلك، وهذا أحد جوانب المسألة. كما أن عملية استبدال هذا ووضع الخلايا وتبديل الوسط الزرعي للخلايا تتطلب الكثير من عمليات الماصة. وهذا الأمر مكلف للغاية من حيث مقدار الوقت والموظفين الذين يتطلبه، وكذلك كمية السوائل التي يجب إدخالها وإخراجها من طبق بتري.وثمة قيد آخر يتمثل في أنه من أجل ملء جميع الأسطح بالخلايا، يتعين استخدام عدد كبير من الخلايا، وهو ما يتطلب غالباً التضحية بالعديد من الحيوانات. كما يمكن أن يكون ذلك مكلفاً لمجرد الأعداد الهائلة المطلوبة. لذا فإن الخلاصة هي أن التقنيات التقليدية تنتهي بالتكلفة مادياً بشكل كبير.تعتبر هذه التقنيات مكلفة للغاية، سواء من حيث الوقت والكوادر البشرية المطلوبة لتنفيذ أي تجربة، وأيضاً من حيث المردودات؛ حيث ينتهي الأمر ببيولوجيي المختبرات إلى تقديم تنازلات فيما يخص عدد الأسطح أو الظروف التي تتم دراستها. وبناءً على ذلك، فإنها تتعامل مع بيانات ضعيفة إحصائياً. كما أن الاستنتاجات في الدراسات البيولوجية النموذجية تكون نوعية للغاية وفقاً للمعايير الهندسية، مما يؤدي في النهاية إلى جعل كل هذه الدراسات غير قابلة للتوسع.وبالتالي، أصبح هذا يمثل مشكلة كبيرة الآن في عصر الجينوم، حيث يرغب الباحثون في دراسة عدد كبير من الظروف، والعديد من المتغيرات، وللعثور على متغيرات جديدة، وظواهر خلوية جديدة لا يمكن الكشف عنها إلا من خلال دراسة أعداد كبيرة من الخلايا والظروف. لذا، تمنحنا تقنيات التصنيع الدقيق عدة مزايا نستغلها لأسباب مختلفة. هناك مزايا أولاً من وجهة نظر أساسية، وبنفس الطريقة التي تعمل بها ترانزستورات الإلكترونيات الدقيقة بشكل أفضل لأنها أصغر حجماً.وهنا أيضاً، نقوم ببناء أجهزة تصل إلى مقاييس تكون في حدود حجم الجسم محل الدراسة، وهي الخلايا. ويمكن لتقنية التصنيع الدقيق التغلب على هذه القيود، ليس بطريقة واحدة، بل بطرق عديدة، حيث تتيح لك فحص أعداد كبيرة جداً من الخلايا المفردة.وهذا يمنحك استنتاجات كمية دقيقة بشكل فوري. كما يتيح لك إجراء تجارب منخفضة التكلفة. علاوة على ذلك، فإن هذه الأنظمة غير مكلفة للغاية في تصنيعها، بمعنى أنه يمكنك صنع العديد من الأجهزة بتكلفة جهاز واحد.علاوة على ذلك، فإن تكلفة تشغيلها منخفضة لسهولة استخدامها، وهي قابلة للأتمتة بشكل كبير. وتؤدي هذه المزايا المتمثلة في انخفاض تكلفة التصنيع والتشغيل إلى تطبيقات تجارية ناجحة للغاية. وأخيرًا، فإن هذه الأنظمة قابلة للتصميم الكمي بشكل كبير.هذا أمر بالغ الأهمية لأننا بهذه الطريقة يمكننا نمذجة سلوك جهاز ميكروفلويديك (microfluidic device) على سبيل المثال، أو تصنيع سطح ما، ومعرفة كيفية عمله بدقة. ثم نعود إلى ذلك، وهذا يتم عن طريق النمذجة؛ فنحن لا ننتقل إلى المختبر بعد.وبعد أن يعمل كل شيء نظرياً، ننتقل بعد ذلك إلى المختبر لنقوم بالتنفيذ، مما يوفر علينا الكثير من الوقت. ومن التقنيات الرئيسية التي نستخدمها في مختبرنا ما يسمى بالطباعة الحجرية الناعمة (soft lithography)، وهي مجموعة من التقنيات الشقيقة التي طورها جورج وايتسايد في جامعة هارفارد منذ أوائل التسعينيات. وتعتمد هذه التقنيات على استنساخ وتشكيل مادة، وهي عبارة عن مطاط شفاف يسمى Polymethylsiloxane أو PDMS، ويعرفه علماء الأحياء باسمه التجاري Sylgard 184 الذي تصنعه شركة Dow Corning.وهو في الأساس مطاط شفاف، وهو عبارة عن جهاز. يمكنك ثنيه، وكما ذكرت، يمكن تشكيله، ويمكن صبه بشكل متكرر من نفس القالب، والجزء المكلف في التصنيع هو القالب. أما المادة، فنحن نشتريها بالدلو.إنه، كما تعلم، ليس باهظ الثمن. كما أنه متوافق حيوياً للغاية، بحيث يمكنك حتى استزراع الخلايا عليه.يُستخدم في الغرسات. وثمة ميزة كبيرة أخرى تتمثل في كونه شفافاً، وهذا أمر بالغ الأهمية في المجهر البيولوجي، والذي كما تعلمون، يُعد طريقة تحليلية هامة جداً في الدراسات البيولوجية. كما أن عملية القولبة، كما تظهر في فيديوهات المختبر، سهلة للغاية ومباشرة جداً.الأمر يقتصر فقط على خلط مكونين. وكما تعلم، يمكن لأي شخص القيام بذلك؛ فالعملية تشبه إلى حد كبير الطهي ووضع الطعام في الفرن.حتى ابني البالغ من العمر أربع سنوات، جاء إلى المختبر وقام بالفعل بصناعة المطاط. لذا فإن الأمر بسيط للغاية. ميكروفلويديكس (Microfluidics) هي دراسة سلوك السوائل.في القنوات الصغيرة، كما تعلمون، لا يمكنكم إلقاء حجر تحت الماء. وذلك لأن القوى، قوى الاحتكاك بين الحجر والماء تكون كبيرة جداً مقارنة بالقوة التي تبذلونها عليه. ويحدث شيء مشابه إلى حد ما في قناة صغيرة حيث يكون الوضع معكوساً.إن الماء هو الجسم المتحرك، وتسبب الجدران المحيطة به احتكاكاً كبيراً بسبب النسبة العالية للمساحة السطحية إلى الحجم؛ ففي القنوات الدقيقة، يكون للجدران تأثير قوي جداً. وبناءً على ذلك، تكون قوى القصور الذاتي صغيرة جداً مقارنة بقوى اللزوجة والاحتكاك الناتج عن الجدران. وبما أن قوى اللزوجة هي المسيطرة، فإن الاضطراب لا يحدث أبداً في القنوات الدقيقة، لذا فإن ما لدينا هو نظام تدفق يُعرف بالتدفق الصفائحي لأن السائل يتدفق في طبقات.ويظهر هنا مثال حيث لا تتمكن التدفقات المختلفة من الاختلاط لأنها تتدفق جنبًا إلى جنب. فلا يوجد اضطراب يسرع عملية الاختلاط كما يحدث عند تحريك كوب من القهوة. ونظرًا لأن القوى اللزوجة هي السائدة ومن الصعب جدًا حدوث اضطراب في القناة الدقيقة، فإن هذا يعني أن التدفقين اللذين يندمجان في قناة واحدة لن يختلطا، بل سيختلطان فقط عن طريق الانتشار ببطء شديد.نستفيد الآن من هذه الخاصية لتعريض أجزاء مختلفة من مجموعة خلوية، أو حتى خلية واحدة، لسوائل مختلفة. والسبب في القيام بذلك هو أن هذا ما يحدث في الجسم الحي (in vivo)؛ حيث تتعرض الخلايا داخل الكائن الحي لتدرجات من المواد، وغالباً ما يكون ذلك بشكل عابر للغاية.لذلك، وبما أننا نستطيع نمذجة سلوك السوائل بدقة، بما في ذلك انتشار المواد المختلفة في تدفق السائل، فإننا نعرف الثابت والتركيز الذي تتعرض له الخلية، وأي جزء من الخلية يتعرض لأي تركيز. وهذا يتيح لنا إجراء دراسات كمية دقيقة حول تعرض الخلايا لمادة معينة. وكمثال على كيفية استخدام التدفق الصفائحي لدراسة الخلايا، لدينا مشروع في المختبر نحاول من خلاله محاكاة سحب خلية عضلية مع جعلها تعتقد أنها تخضع لعملية تعصيب بواسطة عصبون.لذلك، أثناء مرحلة النمو، ما يحدث هو أن العصب يصل في نقطة ما إلى العضلة ويفرز مادة تسمى arin، والتي تساهم في تكوين التشابك العصبي. وما نقوم به في الواقع هو أمر بسيط جداً من الناحية المفاهيمية؛ حيث نضع خلايا عضلية في جهاز ونعرضها لتدفق يحتوي على rin فقط في الجزء المركزي من هذا التدفق.وهذا يسمح لنا بمحاكاة أن الجهاز يمثل العصب، وأن الخلايا العضلية الموجودة داخل الجهاز هي العضلات الحقيقية أثناء عملية التطور. وهناك مثال آخر تظهر فيه الموائع الدقيقة كأداة قوية للغاية وهو دراسة توجيه المحاور العصبية. وتعتمد الفكرة هنا على الاستفادة من قدرتنا على التنبؤ بدقة بكيفية انتشار السوائل في الأحجام الصغيرة لإنتاج تدرجات من المواد.وخلال مرحلة النمو، تكون التدرجات مسؤولة، أو مسؤولة جزئياً، عن كيفية عثور الخلايا العصبية على أهدافها. لذا، نحن نحاول إعادة إنتاج ذلك داخل طبق بتري. داخل قناة مجهرية، يُعد حاسة الشم نظام استشعار رائعاً.تعبر كل خلية عصبية في أنف الفئران، على سبيل المثال، عن نوع واحد فقط من المستقبلات الشمية. يوجد حوالي ألف جين مختلف للمستقبلات الشمية في الفئران، ويرتبط كل مستقبل بمجموعة من المواد الشمية، كما ترتبط كل مادة شمية بعدة مستقبلات.وبناءً على اعتقادنا بأن طريقة اكتشاف الروائح تتم بشكل تجميعي، فإن أبحاث الكسور التقليدية تجعل من الصعب إيجاد تطابقات بين عدد كبير من المواد المسببة للرائحة ومستقبل معين، أو بين أي مادة مسببة للرائحة وعدد كبير من المستقبلات. ويرجع ذلك إلى صعوبة تعريض أي عصبون معين أو عصبون حسي كسري لمجموعة من المواد المسببة للرائحة، والعكس صحيح، فمن الصعب جداً تعريض جميع العصبونات في الظهارة الشمية لأي مادة مسببة للرائحة. لذا، كان نهجنا يتمثل في أخذ الظهارة الشمية وتقطيعها لتفكيكها إلى خلايا مفردة ووضعها على مصفوفة، في مصفوفة مجهرية كبيرة من الآبار المجهرية، بحيث توضع خلية واحدة في كل بئر مجهري.حسنًا، وعادةً ما نحصل في مجال الرؤية على عشرات الآلاف من الخلايا العصبية التي نقوم بتصويرها باستخدام تصوير الكالسيوم، ونبحث في أنماط تنشيط هذه الخلايا، أي هذه الكمية الكبيرة من الخلايا العصبية، استجابةً للمواد الشمية ومجموعات الروائح. وهذا يسمح لنا بأن نكون واثقين من أننا، بالنسبة لأي رائحة معينة نختارها، نقوم بفحص مساحة المستقبلات الشمية بالكامل. حيث يوجد، كما تعلم، مستقبل واحد على الأقل أو بضعة مستقبلات ممثلة في تلك المصفوفة.وبهذه الطريقة، يمكننا طرح أسئلة مثل: كم عدد الخلايا التي تشم رائحة الموز وتشم رائحة الليمون أيضاً، على سبيل المثال. إن تقنيات الموائع الدقيقة والنمذجة الدقيقة هذه بسيطة للغاية في الواقع، وأعتقد أن السبب في عدم اعتمادها على نطاق أوسع في علم بيولوجيا الخلية يعود إلى اختلاف ثقافي بين المهندسين والبيولوجيين؛ فالبيولوجيون عادة ما يكونون مترددين قليلاً، إن لم يكونوا منافرين، تجاه التقنيات الجديدة، بينما لا يكون المهندسون عادةً متمرسين بما يكفي في بيولوجيا الخلية أو في علم البيولوجيا بشكل عام.وأعتقد أن ما سنراه في المستقبل القريب هو قيام البيولوجيين بتصميم أجهزتهم بأنفسهم دون الحاجة إلى اللجوء لشخص مثلي. حيث سيتمكنون من تصميم جهاز بسيط وإرسال هذا التصميم إلى مسبك، مثل مسبك الألومنيوم، ثم يتم شحن الجهاز إليهم عبر FedEx في غضون يوم أو يومين، وسيكون من السهل جداً عليهم تنفيذ التجربة بأنفسهم.

biomems-and-cellular-biology-perspectives-and-applications

Research

JoVE Journal

Biology

علم الأحياء

باستخدام مايكرو سيستمز الكهربائية والميكانيكية (ممس) لتطوير أدوات التشخيص

متناهي الصغر الهندسية لبيولوجيا الخلية

BioMEMS : تزوير التعاون الجديدة بين علماء الأحياء والمهندسين

الأجزاء الجينية ذات المواصفات الجيدة ضرورية لتصميم دوائر وراثية جديدة. هنا نصف طريقة فعالة من حيث التكلفة وعالية الإنتاجية لتوصيف الأجزاء الجينية بسرعة. تقلل طريقتنا من التكلفة والوقت من خلال الجمع بين المحللات الخالية من الخلايا ، والحمض النووي الخطي لتجنب الاستنساخ ، ومعالجة السوائل الصوتية لزيادة الإنتاجية وتقليل أحجام التفاعل.

التوصيف السريع للأجزاء الجينية بأنظمة خالية من الخلايا

يصف البروتوكول الحالي تصميم وتصنيع وتوصيف نظام الموائع الدقيقة القادر على محاذاة وتجميد وضغط المئات من أجنة ذبابة الفاكهة الميلانية بدقة مع الحد الأدنى من تدخل المستخدم. يتيح هذا النظام تصويرا عالي الدقة واستعادة العينات لتحليل ما بعد التحفيز ويمكن تحجيمه لاستيعاب الأنظمة البيولوجية الأخرى متعددة الخلايا.

التحفيز الميكانيكي للكائنات متعددة الخلايا من خلال نظام ضغط الموائع الدقيقة عالي الإنتاجية

يعد تنوع الدهون الغشائية في التركيب والتكوين مساهما مهما في العمليات الخلوية ويمكن أن يكون علامة على المرض. تسمح لنا محاكاة الديناميات الجزيئية بدراسة الأغشية وتفاعلاتها مع الجزيئات الحيوية بدقة ذرية. هنا ، نقدم بروتوكولا لبناء وتشغيل وتحليل أنظمة الأغشية المعقدة.

نمذجة الغشاء الواقعية باستخدام مخاليط الدهون المعقدة في دراسات المحاكاة

يعتمد نجاح النسخ أحادي الخلية / أحادي النوى ومتعدد الأوميكس إلى حد كبير على جودة الخلايا / النوى. لذلك ، يجب أن يكون عزل الخلايا / النوى عن الأنسجة وتنقيتها موحدا للغاية. يصف هذا البروتوكول تحضير النوى من الدماغ ونخاع العظم لمقايسة النوى المتعددة أحادية النوى في اتجاه مجرى النهر.

تحضير نوى الدماغ ونخاع العظم عالي الجودة لمقايسات النوى المتعددة أحادية النوى

بيولوجيا المجتمعات الميكروبية -- مقابلة

وجهات النظر بشأن العلوم العصبية

هذا الفيديو يوضح كيفية استخدام مجتذب برمجة لجعل ماصات التصحيح والأقطاب الكهربية حادة ل. ويمكن استخدام نفس الإجراء لتقديم مجموعة متنوعة من الأدوات الزجاجية ، بما في ذلك إبر الحقن.

جعل التصحيح ، وماصات أقطاب شارب مع بولير برمجة

استكشف تقنيات BioMEMS والأنظمة الميكروية السائلة لتحسين زراعة الخلايا في علم الأعصاب. تساعد هذه الطرق المتقدمة الباحثين على محاكاة الظروف الفسيولوجية بدقة أكبر.

BioMEMS والبيولوجيا الخلوية : وجهات نظر والتطبيقات

استكشف المزيد من الفيديوهات