تطبيق على microfluidics لالكهربية
أكتوبر 1, 2007
اسمي ديف إدينجتون. أنا أستاذ مساعد في قسم الهندسة الحيوية بجامعة إلينوي في شيكاغو. والمجال الذي نعمل فيه بشكل أساسي هو تطبيق التقنيات الدقيقة على التطبيقات الطبية الحيوية ، وتحديدا باستخدام أجهزة الموائع الدقيقة.
واليوم سوف نعرض لكم أحد مشاريعنا ، والذي يتضمن استخدام جهاز ميكروفيليديك يتكيف مع غرفة نضح شريحة الدماغ القياسية لتوفير التحفيز الزمني المكاني لشريحة الدماغ. لذلك حاليا في مستحضرات شريحة الفيزيولوجيا الكهربية ، تكون التطبيقات الرئيسية للناقلات العصبية على شريحة إما على مستوى العالم عبر شريحة الدماغ بأكملها. نحن نحفز شريحة الدماغ بأكملها في وقت واحد ، أو نستخدم ماصة دقيقة للنفخ على الناقلات العصبية في نقاط زمنية مختلفة.
شريحة الدماغ هي بنية معقدة للغاية ، وعندما تقوم بتطبيق الناقلات العصبية على مستوى العالم أو استخدام ماصة دقيقة ، لا يمكنك إعادة إنتاج أنماط التحفيز في الجسم الحي. بينما مع منصتنا ، يمكننا التحكم في التحفيز لمناطق محددة جدا عبر لصق الدماغ وتحقيق المزيد في الجسم الحي مثل التحفيز. لذلك يتم عرض أنظمة التروية الحالية هنا حيث ترسو مع شريحة زجاجية ذات غطاء قياسي.
وهذه تسمح بنشر الوسائط عبر الشريحة بأكملها. ومع ذلك ، لا يمكنك التحكم مكانيا في دقة هذا الناقل العصبي الذي يعمل به الجهاز المنشط. لذلك قمنا بتطوير جهاز micro flic الذي يرسو مع غرفة الوفرة القياسية هذه.
لذلك يمكن استخدام جميع فحوصات الفيزيولوجيا الكهربية القياسية. والميزة الوحيدة المختلفة هي بدلا من القاع الزجاجي ذو الغطاء الزجاجي ، يتكون هذا من جهاز A-P-D-M-S الذي يحتوي على العديد من الثقوب التي تتصل بقنوات الموائع الدقيقة ، والتي تتصل بالفتحات الموجودة في غرفة الوفرة العلوية التي يمكننا بعد ذلك تحفيز الناقلات العصبية من خلال هذه الثقوب ، من خلال القنوات ، والخروج من الفتحات ، وفي شريحة الدماغ. ونستخدم تقنية تسمى الضخ السلبي لتوصيل السوائل.
لذلك لا نحتاج إلى أي أنابيب معقدة للخروج من هذا الجهاز لأن الفيزيولوجيا الكهربية هي بالفعل إجراء معقد للغاية. ومن خلال تبسيط تصميم الجهاز واستخدام الضخ السلبي ، نقوم بتبسيط البروتوكول التجريبي لتطبيق هذا الجهاز الموائع الدقيقة. هيكل الجهاز عبارة عن شبكة ميكروفيليديك من طبقتين.
الطبقة الأولى هي قنوات التوجيه التي تتصل بمنافذ المخرج ، وتتكون الطبقة الثانية من خلال الثقوب التي تربط هذه القنوات بالبئر. لذلك يتم هذا التصنيع باستخدام خطوات التصنيع الدقيق القياسية المكونة من طبقتين على شكل حرف U حيث لدينا بعض علامات المحاذاة التي تتأكد من وضع هذه الفتحات مباشرة في وسط هذه القنوات الأربع. لذلك تم تصميم هذا الجهاز للالتحام بغرفة الوفرة القياسية ، بحيث يمكن استخدام جميع فحوصات الفيزيولوجيا الكهربية نفسها.
لذلك يمكننا وضع هذا على جهاز الفيزيولوجيا الكهربية ، وجعل هدفنا يدخل فيه ، وتوفير التحفيز الموضعي من خلال قنواتنا الموائع الدقيقة ، وعدم تعقيد الإعداد التجريبي بلا داع بما يتجاوز أكثر مما يحتاجه. لذلك من خلال الحفاظ على تصميم الجهاز بسيطا قدر الإمكان ، يمكننا نشر هذه المنصة بشكل أسهل. لذا فإن هيكلنا الآن ، لدينا هذه الأربعة Vs في منتصف قنواتنا الموائع الدقيقة ، ولكن يمكن تكييفها مع احتياجات المختبرات المختلفة اعتمادا على منطقة الدماغ التي يدرسونها.
لذلك يمكن لمنطقة واحدة أن تدرس الحصين ويمكن للمنطقة الأخرى دراسة القشرة الخارجية. وهكذا يمكننا تحفيز تلك المناطق اعتمادا على كيفية تصميم هذا الجهاز الموائع الدقيقة. ونظرا لأن الجهاز لا يتطلب أي مكونات خارجية للعمل، فكل ما تحتاجه هو ماصة دقيقة لتمريرها على هذه الفتحات باستخدام تقنية الضخ السلبي.
لا توجد معدات إضافية تتجاوز هذه الركيزة السفلية التي يحتاج مختبر الفيزيولوجيا الكهربية القياسي إلى الحصول عليها لاستخدام هذا الجهاز. حتى هذه اللحظة من المشروع ، كنا نركز على إرساء قنوات الموائع الدقيقة مع غرف الوفرة القياسية. والآن الجزء التالي من المشروع هو في الواقع اختبار هذا الجهاز على البحث الفعلي القائم على الفرضيات باستخدام مستحضرات الشرائح هذه.
ولذا فقد أثبتنا أنه باستخدام صبغة الفلورسنت، يمكننا تحفيز مناطق مختلفة مكانيا عن طريق حقن نظائر الفلورسنت هذه في القنوات. والخطوة التالية هي إجراء التجارب البيولوجية الحقيقية. لذا فإن مجال الموائع الدقيقة يقترب من نقطة انتقالية.
نحن نتجاوز عروض إثبات المفهوم الجديدة ونستخدم هذه الأجهزة حقا لاكتشاف أشياء جديدة ومثيرة كان من المستحيل القيام بها في السابق. لذا فإن المجال ينتقل من التقنيات التي استخدمنا فيها المبادئ المتاحة على المستوى المصغر ، مثل الانتشار السريع ، والتدفق الرقائقي ، والخدمة الكبيرة إلى نسب الحجم وتكامل العملية. والآن سنستخدم هذه ونطبقها لحل الاحتياجات غير الملباة في المختبر والعيادة.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تناقش هذه المقالة تطبيق أجهزة الموائع الدقيقة في العلوم العصبية، وتحديداً في التحفيز المكاني الزمني لشرائح الدماغ. وتعزز هذه الطريقة دقة تطبيق النواقل العصبية مقارنة بالتقنيات التقليدية.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلوم
- علم الأعصاب
- الهندسة الحيوية
- الموائع الدقيقة
خلفية علمية
- تُستخدم تحضيرات شرائح الفيزيولوجيا الكهربائية بشكل شائع في العلوم العصبية.
- تفتقر الطرق الحالية لتطبيق النواقل العصبية إلى الدقة الكافية.
- تقدم الأجهزة الموائعية الدقيقة نهجًا جديدًا لتعزيز تقنيات التحفيز.
- يمكن تكييف غرف تروية شرائح الدماغ القياسية لتحسين وظائفها.
الغرض من الدراسة
- لإثبات كفاءة جهاز ميكروفلويديك يتيح التحفيز المكاني والزماني لشرائح الدماغ.
- لتحسين تطبيق الناقلات العصبية في الدراسات الفيزيولوجية الكهربائية.
- لتوفير بيئة أكثر ضبطاً لتجارب شرائح الدماغ.
الطرق المستخدمة
- تطوير جهاز مائعيات دقيقة متوافق مع غرف تروية شرائح الدماغ.
- تطبيق الناقلات العصبية باستخدام نظام المائعيات الدقيقة.
- مقارنة تقنيات التحفيز: الشامل مقابل الموضعي.
- القياسات الفيزيولوجية الكهربائية لتقييم فعالية التحفيز.
النتائج الرئيسية
- يتيح الجهاز الموائع الدقيقة التحكم الدقيق في توصيل الناقلات العصبية.
- يظهر التحفيز المكاني الزماني نتائج محسنة مقارنة بالطرق التقليدية.
- نتائج تجريبية معززة في تحضيرات شرائح الدماغ.
- إمكانية توسيع نطاق التطبيقات في أبحاث العلوم العصبية.
الاستنتاجات
- تؤدي الأجهزة الموائع مجهرية (Microfluidic devices) إلى تحسين تطبيق النواقل العصبية في شرائح الدماغ بشكل كبير.
- يمكن لهذه التقنية أن تدفع الدراسات الفيزيولوجية الكهربائية والأبحاث ذات الصلة إلى الأمام.
- قد تستكشف الدراسات المستقبلية تطبيقات إضافية لهذه الطريقة.
الأسئلة الشائعة
الأهمية التنفيذية في الصناعة
يعالج هذا التكامل بين الموائع الدقيقة والفيزيولوجيا الكهربائية حاجة أساسية غير ملباة في اكتشافات العلوم العصبية، وهي تحقيق توصيل للمعدِّلات العصبية يتم التحكم فيه مكانياً وزمنياً إلى شرائح الدماغ. ومن خلال تمكين أنماط تحفيز خاصة بكل منطقة تحاكي الظروف الحيوية (in vivo) بشكل أفضل، تعزز هذه المنصة من الثقة التنبؤية في التحقق من الأهداف والحد من المخاطر الميكانيكية لبرامج اكتشاف أدوية الجهاز العصبي المركزي (CNS). كما يدعم تصميم الضخ السلبي والمبسط الاعتماد الواسع لهذه التقنية عبر سير عمل الفيزيولوجيا الكهربائية دون الحاجة إلى بنية تحتية متخصصة.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير للصناعات الدوائية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تتيح استقصاء الفرضيات العلاجية من خلال التحكم المكاني الدقيق في تطبيق المغيرات العصبية عبر مناطق محددة من الدماغ.
- القيمة التشغيلية: تلغي الحاجة إلى استخدام الماصات الدقيقة، مما يقلل من التباين التقني في تجارب توصيل النواقل العصبية.
- القيمة التنبؤية: تدعم التحقق من الأهداف الوظيفية من خلال إعادة إنتاج أنماط تحفيز أكثر صلة من الناحية الفسيولوجية مقارنة بالتروية الشاملة.
الفحص وتطوير المقايسة
- جاهزية المقايسة: تجهيز أنظمة شرائح دماغية مُصادق عليها لفحص المركبات اللاحقة من خلال وضع بروتوكولات تحفيز موضعية وقابلة للتكرار.
- المخرجات الكمية: تسهيل قياس الاستجابات الفيزيولوجية الكهربائية الخاصة بكل منطقة، مما يتيح إجراء تحليلات الاستجابة للجرعة والتحليلات الحركية.
- إعادة استخدام المنصة: التكيف مع مناطق دماغية مختلفة (مثل hippocampus، وcortex) عبر إعادة تصميم القنوات الموائعية الدقيقة، مما يدعم حملات الفحص متعددة الأهداف.
الأبحاث الانتقالية وقبل السريرية
- الاستمرارية الترجمية: يربط بين مراحل الاكتشاف والمراحل قبل السريرية من خلال توفير نظام ذي صلة بالمرض لاختبار تأثيرات المعدلات العصبية في أنسجة عصبية منظمة.
- تقليل المخاطر الآلية: يوضح تأثيرات الأدوية الخاصة بمسارات معينة من خلال التحفيز الإقليمي المعزول، مما يقلل من الغموض في دراسات ارتباط الهدف.
- التقدم المعدل وفقاً للمخاطر: يدعم قرارات المضي قدماً من عدمه (go/no-go) عبر الكشف المبكر عن الفعالية المعتمدة على المنطقة والإشارات خارج الهدف في مسار الاكتشاف.
تكامل تدفق العمل ومسار المعالجة
تدمج هذه الطريقة في سلسلة الاكتشافات بدءاً من التحقق الأولي من الهدف وصولاً إلى التقييم قبل السريري، مما يتيح إجراء دراسات ميكانيكية ذات دقة مكانية تعزز الثقة في اختيار أهداف الجهاز العصبي المركزي (CNS) وتحسين المركبات الرائدة.
- بيولوجيا الاكتشاف: تدعم اختبار الفرضيات وتوضيح المسارات من خلال تمكين عزل المتغيرات المستقلة (على سبيل المثال، التعرض للمعدلات العصبية الإقليمية) في التحضيرات العصبية المعقدة.
- الفحص: تعزز قابلية تكرار المقايسة والقراءات الكمية من خلال توصيل السوائل الموحد المدفوع بمضخة سلبية عبر القنوات المائعية الدقيقة.
- التحليلات: تولد قياسات فيزيولوجية كهربائية خاصة بالظروف تتيح للفرق مقارنة الاستجابات الإقليمية وتقييم قوة المحفز وانتقائيته.
- الأبحاث الانتقالية: تربط الاستمرارية قبل السريرية باستخدام شرائح الدماغ كنظام ذي صلة بالمرض لتقييم تأثيرات المعدلات العصبية في بنية الأنسجة المحفوظة.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: صُممت كمنصة قابلة لإعادة الاستخدام متوافقة مع غرف التروية القياسية، مما يقلل من احتياجات إعادة التحقق عبر المختبرات والمشاريع.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تزيد من الثقة التنبؤية في التحقق من صحة الأهداف عن طريق تقليل الغموض الميكانيكي من خلال التحفيز الموجه مكانيًا.
- القيمة التشغيلية: تحسن قابلية التكرار والتوسع عبر الضخ السلبي، مما يلغي الاعتماد على المضخات الخارجية أو الأنابيب المعقدة.
- القيمة الاستراتيجية: تعزز كفاءة رأس المال من خلال تمكين الاختبارات المناطقية المتعددة ضمن إعداد واحد للفيزيولوجيا الكهربائية، مما يقلل من تكرار المقايسات.
- تأثير المحفظة: تدعم تحديد الأولويات المعدلة حسب المخاطر من خلال تقديم بيانات أكثر وضوحًا حول العلاقة بين البنية والنشاط وارتباط الهدف عبر المناطق الفرعية للدماغ.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في التعامل مع أجهزة الموائع الدقيقة وتكامل إعدادات الفيزيولوجيا الكهربائية.
- يعتمد على إمكانية الوصول إلى غرف تروية شرائح الدماغ القياسية وأنظمة التصوير المجهري.
- يستلزم توحيد المعايير بين الفرق لضمان اتساق تثبيت الأجهزة ومحاذاة القنوات بين المستخدمين.
- يتضمن اعتبارات التكيف عند استهداف مناطق مختلفة من الدماغ من خلال إعادة تصميم الممرات وتخطيطات القنوات في أجهزة الموائع الدقيقة.
- يقتصر على الحاجة إلى التحقق الفلوري أو الفيزيولوجي الكهربائي لتأكيد التوصيل الناجح للمعدلات العصبية إلى المناطق المستهدفة.
