باستخدام مايكرو سيستمز الكهربائية والميكانيكية (ممس) لتطوير أدوات التشخيص

أنا يو دي ميرسي ، أنا الباحث الرئيسي في Bio Stick MAMs في مختبرات الطب. حصلت على درجة الدكتوراه من جامعة ستانفورد في الهندسة الكهربائية. لقد حصلت على ما بعد الدكتوراه في كلية الطب بجامعة هارفارد في MGH أعمل على MAMs الصوتية الحيوية أو MAs الحيوية في الغالب.

والآن أستمر كعضو هيئة تدريس في كلية الطب بجامعة هارفارد في جامعة هارفارد للعلوم الصحية والتكنولوجيا. واستمر في بحثي الذي أستمتع به كثيرا. كان العمل الذي قمت به خلال فترة الدكتوراه مرتبطا ارتباطا وثيقا بالقطرات واستخدام الصوتيات لتوليد قطرات دقيقة الحجم والتحكم في موقعها وموضعها لإيداع البوليمرات الحساسة للغاية.

الآن نطبق تقنيات مماثلة لتغليف الخلايا في قطرات ثم وضعها على الأسطح لتطبيقات مختلفة في هندسة الأنسجة لطباعة الخلايا على الأسطح لنمط الخلايا. أيضا ، هناك تطبيقات حيث تريد أن ترى أنه يمكنك تغليف عدد قليل من الخلايا أو خلية واحدة أو من نفس السكان ورؤية الاختلافات بين نفس السكان من خلية إلى أخرى ، حيث تكون القدرة على تغليف الخلايا في قطرات بمعدلات إنتاجية عالية مثل 10 ، 000 خلية في الثانية ، يصبح نوع المعدلات مهما جدا ومفيدا جدا لفهم المشكلات البيولوجية. لذا فإن بحثي حاليا له ساقان ، أود أن أقول.

أحدهما هو عمل تغليف الخلايا الذي تحدثت عنه للتو. كيف نحزم خلية في قطرة ، وكيف يمكننا القيام بذلك بشكل متكرر وموثوق ودون الإضرار بالخلايا؟ لذلك بعد إخراج الخلية أو تغليفها في القطرة ، يجب أن نكون قادرين على تحديد موقعها بدقة على سطح يجب أن تكون الخلية وظيفية وحيوية وقابلة للحياة.

لا ينبغي أن تتضرر من آثار الطرد وما إلى ذلك. لذلك لدينا حاليا نظام نستخدم فيه الموجات المركزة على القطرات الصوتية لتوليد هذه القطرات من التجمعات المفتوحة حيث يمكننا تغليف الخلايا المفردة في هذه القطرات الصغيرة جدا التي يمكن مقارنتها بحجم الخلية. هذا مثير للغاية من حيث تطبيق هذا على طباعة الخلايا وهندسة الأنسجة.

الجانب الآخر من بحثي هو استخدام تقنيات النظام الكهروميكانيكي الصغير MAMs لتطوير أدوات تشخيصية منخفضة التكلفة. يستخدم هذا البحث في الغالب مناهج الموائع الدقيقة حيث يمكننا إدخال الدم الكامل ، وكميات صغيرة جدا مثل الدم من وخز الإصبع ، وأقل من 10 ميكرولتر يمكنك إدخالها إلى شريحة. ومن هذا الدم يمكننا تغليفها أو يمكنك التقاط مجموعات معينة من الخلايا الفرعية من الدم الكامل.

لماذا هذا مهم؟ لماذا يجب أن يكون هذا رخيصا لتطبيقات الصحة العالمية على قمة الجبل في إفريقيا ، تريد أن تكون قادرا على معرفة مريض فيروس نقص المناعة البشرية ، على سبيل المثال ، كم عدد الخلايا الليمفاوية التائية الأربعة التي يمتلكها هذا المريض. لأن منظمة الصحة العالمية تقول أنه أقل من 200 CD أربع خلايا لكل ميكرولتر ، يجب أن تبدأ في علاج المرضى في العالم المتقدم ، يمكنك استخدام مئات الآلاف من الدولارات من مقاييس التدفق الخلوي لتتمكن من الحصول على هذه البيانات.

ويستغرق الأمر بالطبع وقتا للاستخدام والمهارة بالطبع لتكون قادرا على استخدام هذه الآلات الضخمة بحجم الطاولة. يمكن إدخال شريحتنا الصغيرة من لبنة الإصبع الصغيرة هذه 10 ميكرولتر من الدم الكامل وستلتقط خلايا القرص المضغوط الأربع باستخدام تقاربات البروتين السطحي. وبعد ذلك يمكنك حساب هذه الخلايا التي يتم التقاطها بسرعة لأنك تعلم أن هناك خلايا CD أو أربع خلايا مرتبطة بأربعة بروتينات على سطح الشريحة.

من خلال التحكم في معدلات التدفق والقص ، يمكنك التأكد من تحسين خصوصية وكفاءة هذه الأنواع من الخلايا. وبالطبع هناك دائما ربط غير محدد ، ولكن من خلال مناهجنا المطلقة ، نقلل من هذه التأثيرات ونتأكد من أنه بين زائد ناقص 10٪ من الأخطاء ، وهو ما يكفي لاتخاذ قرار تشخيصي أو تنبؤي على قمة الجبل في إفريقيا. لذلك هذا له تطبيقات مثيرة للاهتمام للصحة العالمية بالإضافة إلى هذه التقنيات منخفضة التكلفة التي يمكن التخلص منها يمكن أن تؤثر على العالم المتقدم لأن اختبارات الدم السريعة هذه ، وهي منخفضة التكلفة حقا ، يمكن أن تؤثر على الاختبارات التي نستخدمها في العالم المتقدم.

إذا تم تحسينها إلى مستويات أعلى من الكفاءة والخصوصية ، والتي تظهر بياناتنا الأولية أنها يمكن أن تكون كذلك ، فسيؤثر ذلك بالتأكيد على حياتنا. عندما أنهيت درجة الدكتوراه لأول مرة ، كنت أعرف المزيد عن الموائع الدقيقة وأنه في MAMs أكثر من أي شيء آخر يمكنني رؤيته ، خاصة مع تطبيق القطرات ، يمكنني أن أرى أنه إذا كان بإمكاني طباعة الخلايا وتغليف الخلايا أو معالجة الخلايا القليلة ، الخلايا المفردة ، فسيكون لها تطبيقات رائعة في مجال التكنولوجيا الحيوية. وكنت مهتما جدا بالعمل على أشياء ستؤثر بالفعل على حياة الناس.

اعتدت أن أطبق هذه التقنيات على صناعة أشباه الموصلات ، ولكن بعد ذلك أردت أن أكون مفيدا مباشرة للناس. لذلك أنا ، هذا ما وجهني نحو مشاكل في الرعاية الصحية. وبعد ذلك ، قمت بتحول كبير وجئت إلى مستشفى ، مستشفى عام جماعي إلى ما بعد الدكتوراه.

وهناك، كما تعلمون، تعرضت أكثر فأكثر للمشاكل ويبدو أن من الواضح أن واحدة من أكبر مشاكل العالم اليوم هي الصحة العالمية وهناك أمراض مثل السل، فيروس نقص المناعة البشرية الذي يقتل آلاف الأشخاص يوميا. وهؤلاء الناس يموتون ليس بسبب عدم وجود الأدوية ، ولكن بسبب عدم وجود أدوات تشخيصية كافية أغلى بكثير من الأدوية الموجودة. لذلك أنا أعرف الجانب التكنولوجي للأشياء جيدا.

لقد تعرضت للمشاكل البيولوجية وكلما تعلمت عنها أكثر ، كلما استطعت أن أرى أنه يمكنني إحداث تأثير. وهكذا نما كل شيء من هناك. ولا يزال مستمرا الآن.

كما رأيت التكنولوجيا الحيوية وفي الطب ، هناك العديد من المشاكل التي تتسبب في الواقع بشكل مباشر في خسارة أرواح الناس والتقنيات ، والجانب التكنولوجي منها والقدرة على تطبيقها على المشاكل الطبية في العالم الحقيقي هو طريق رائع ، أعتقد أنه يجب اتباعه. هذا يشبه كيف أعتقد أن هذا المجال للتكنولوجيا الحيوية بأكمله ينمو نوعا ما وأصبح مؤثرا للغاية. إذا فكرت في الأمر ، سرطان فيروس نقص المناعة البشرية ، هؤلاء قتلة كبار في العالم.

والتقنيات الدقيقة الحالية ، ربما يمكن أن تستفيد الأساليب الحالية من الكشف المبكر عن السرطان عن طريق التقاط هذه الخلايا من الدم أو جعلها رخيصة حقا ، مما سيجعلها متاحة للجماهير. لذا فإن كل هذه الأشياء مجتمعة ، أعتقد أن تطبيقات التكنولوجيا الدقيقة بأكملها في الرعاية الصحية في الطب يمكن أن تؤثر على مستقبل البشر. هذه هي الطريقة التي تجتمع بها كل هذه الأشياء معا على ما أعتقد.

وكونك في العلوم الصحية والتكنولوجيا بجامعة هارفارد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا حيث لديك التكنولوجيا من ناحية ومن ناحية أخرى ، يمكنك الوصول المباشر إلى المرضى ، والوصول المباشر إلى المرضى ، والوصول المباشر إلى الأطباء في مستشفى بريغهام والنساء حيث أعمل هو بيئة رائعة. لأن كل شخص تتحدث معه لديه مشاكله وربما يكون ذلك قادما من خلفية مختلفة ، تقديم حلول مثيرة للاهتمام لتلك المشاكل الموجودة في العالم الحقيقي. إذن هذا هو ، أعتقد كيف أرى المنظور الكامل لكيفية تلبية هذه المشاكل الطبية مع الجانب التكنولوجي.

ونحاول التأثير على حياة الناس بطريقة إيجابية. في تغليف غطاء الخلية المفردة أو في تغليف الخلية ، يتمثل التحدي الرئيسي في أن تكون قادرا على تغليف الخلايا المفردة بشكل موثوق ومتكرر. إذن أنت تخرج 10،000 مائة ألف خلية في الثانية.

وكيف تتأكد من أن كل قطرة تخرجها تحتوي على خلية واحدة؟ هذه الإحصائيات حيث تقوم بتغيير حجم القطرة وتقليل, تحسين حجم الخلية على حجم القطرة, الذي يدخل في المشكلة القديمة المتمثلة في تعبئة المجالات في حجم وما هي الطريقة الأكثر فعالية للقيام بذلك. لذلك هذا هو التحدي الأكبر في مجال الطباعة الخلوية من الجانب التكنولوجي.

الجانب الآخر منه هو الآن يمكنك القول طباعة هذه الخلايا وتحديد موقعها بدقة. كيف يمكنك توليد هذه الأنسجة ثلاثية الأبعاد وكيف يمكنك إبقائها على قيد الحياة وكيف يمكنك زرعها؟ هناك في النهاية البيولوجية للمشاكل حيث تريد الآن تقليد الأنسجة بالضبط.

لدينا مناهج حالية لنكون قادرين على طباعة ثقب ، ثقب البنكرياس ، ونكون قادرين على الطباعة باستخدام خلايا العضلات الملساء ، وأنسجة المثانة ، وتحاكي مباشرة ما هو موجود في الإنسان أو المثانة الحمراء حتى نتمكن بعد ذلك من صنع هذا النسيج واختبار مدى جودة أدائه مقارنة بالأنسجة الأصلية الموجودة في العالم الحقيقي. هذا هو التحدي الرئيسي الذي أعتقد أنه من خلال أخذ هذه التقنيات الجديدة ، كيف يمكنك جعل هذا النسيج المثالي الذي يمكن استبداله ، والذي يمكن زرعه ، هذه ، كما تعلمون ، أكبر مشكلة منذ البداية لأن التحكم في الخلية المفردة يمنحك القدرة على تحديد موقعها بدقة. ثم كيف تنميها نوعا ما من هناك؟

لذلك فهو شيء قابل للزرع هناك حيث يأتي تأثير الحياة البشرية. هذا في هذه الغاية ، ما هي التحديات في جانب هندسة الأنسجة للأشياء في التغليف الجنوبي وفي التشخيص باستخدام الموائع الدقيقة ، التحدي هو أن تكون قادرا على التقاط خلية من مليارات الخلايا. يبدو الأمر كما لو كان لديك جزيء سكر في علبة ملح وتحاول سحب جسيم السكر هذا وهذا يشبه واحدا في المليار.

لذا فأنت تعالج ميكرولتر إلى مليلتر من الدم الكامل وتريد أن تكون قادرا على ذلك على وجه التحديد والكفاءة دون أي مشاكل تكنولوجية مثل الانسداد أو أي مشاكل بيولوجية مثل الارتباط غير المحدد ، فأنت تريد أن تكون قادرا على عزل خلية واحدة من مليار خلية في ميكرولتر واحد من الدم الكامل ، لديك بضعة ملايين من الخلايا. وبالنسبة لحالة الخلايا الليمفاوية التائية الأربعة في تلك الميكرولتر ، فإننا نلاحق حوالي ألف خلية لكل ميكرولتر. لذا فهي مثل خلية واحدة في ألف نوع من المشاكل حيث أظهرنا أنها قابلة للتنفيذ.

ولكن عندما تريد ملاحقة الخلايا السرطانية المنتشرة بحثا عن السرطان ، يصبح التحدي واحدا في المليار. لذلك بالنسبة للبعض ، فإن التحدي هو كيف نلتقط هذه الخلية الواحدة من مليارات الخلايا الأخرى المحيطة بها؟ وما هي الجوانب التكنولوجية؟

ما هي معدلات التدفق؟ ما هو تصميم الجهاز؟ ماذا ، ما هي معدلات التدفق؟

ماذا ، ما هي أحجام الدم التي يجب معالجتها وكيف تتأكد من أن الخلايا التي تلتقطها هي تلك التي تريد التقاطها بالفعل؟ شكلت كل هذه الجوانب التحدي الكامل الذي يمكن تلخيصه في جملة واحدة ، وهو كيف تلتقط هذه الخلية النادرة من بين مليار خلية أخرى؟ لذا فهي حقا إبرة في نوع من مشكلة كومة القش ، وهو أمر مثير.

وأعتقد أن هذا يدفع التقنيات إلى الأمام لمعالجة هذه المشاكل هو التحدي التكنولوجي الحالي. إن القدرة على الوصول بهم إلى مستوى يقومون فيه بالمهمة التي من المفترض أن يقومون بها هو شيء واحد. ثم أخذه إلى العيادة وجعله منتجا لديه جميع الخبرات المختلفة مثل القدرة على بدء شركة ، والقدرة على تسجيل براءات اختراع لهذه الأشياء وكل تلك الجوانب الأخرى تظهر في الصورة.

وأعتقد أننا كعلماء في المقام الأول لا نمتلك كل تلك المهارات التي تأخذ المنتجات من سطح المكتب إلى المنتجات. لذلك تأتي مرة أخرى ، أهمية التعاون مع الأشخاص الذين لديهم خلفيات مختلفة. وهناك العديد من التقنيات التي أعتقد أنها يمكن أن تكون مؤثرة ومفيدة للغاية.

في بعض الأحيان لا يصلون إلى العيادة أو لاستخدام البشرية إما لأنه لم يحدث ، ولم يكن الوقت المناسب أو ظهرت تأثيرات أخرى في الصورة التي تحدثت عنها للتو. أو في بعض الأحيان لا يوجد رابط مباشر لا يمكنك رؤيته أن التكنولوجيا يمكن أن تحل هذه المشكلة بالفعل. والشخص الذي يتعامل مع المشكلة ، أو دعنا نقول أن علماء الأحياء أو الأشخاص في الطب معتادون على القيام بذلك بطريقة واحدة لسنوات عديدة.

والأشخاص على الجانب التكنولوجي في الغالب إذا لم يكن لديك تركيز على التكنولوجيا الحيوية ، ليسوا على دراية بالمشاكل في الطب. لذا فإن الجمع بين هذين الجانبين هو بحث جاد متعدد التخصصات. وأعتقد أنه في السنوات الماضية ، كان التركيز الكامل على مستوى المعاهد الوطنية للصحة وما نراه في مختبرات الأبحاث والجامعات هو توليد أبحاث متعددة التخصصات.

لذلك ينتهي الأمر بالناس بالحصول على درجة الدكتوراه حيث يتعين عليهم معرفة مجالات متعددة. على سبيل المثال ، بالنسبة لدرجة الدكتوراه ، كان علي أن أعرف الصوتيات ، وكان علي أن أعرف mems ، وكان علي أن أعرف الموائع الدقيقة وكان علي تطبيق هذا على البوليمرات. الآن ترى نوعا ما عمقا كبيرا من المعرفة في مجال واحد حيث كان عليك أن تعرف بالفعل ثلاثة مجالات أخرى جيدا لتتمكن من حل هذه المشكلة.

لذلك أعتقد أن الإجابة تكمن في البحث متعدد التخصصات جنبا إلى جنب مع الأشخاص ذوي المهارات التجارية لجعله متاحا لاستخدام الأشخاص ، إنها عملية كبيرة بالكامل وبعض أوجه القصور التي تأتي في مواقع معينة. تسبب في انخفاض نسبة نقل التكنولوجيا.