BioMEMS : تزوير التعاون الجديدة بين علماء الأحياء والمهندسين
نوفمبر 1, 2007
اسمي نيولي جون وأعمل في قسم الهندسة الطبية الحيوية في جامعة كاليفورنيا إيرفاين. تشمل أبحاثي تطوير أجهزة طبية حيوية مبتكرة وأجهزة مائعات دقيقة لأبحاث العلوم العصبية والخلايا الجذعية. تعد الموائع الدقيقة تخصصاً حديثاً نسبياً تطور على مدار السنوات الخمس إلى العشر الماضية، وهي تستخدم الكثير من التقنيات والخبرات التي تم تطويرها لصناعة الدوائر المتكاملة.
إن ما نقوم به هو استخدام طرق ومنهجيات التصغير التي طُورت للدوائر المتكاملة لتصنيع أجهزة صغيرة تحتوي على قنوات وخزانات دقيقة، واستخدام ذلك في تطبيقات بيولوجيا الخلية. تقليدياً، كانت معظم التجارب البيولوجية تُجرى على مقياس أطباق بيتري. لذا، بالنسبة للخلايا، فعند النظر إلى خلية يبلغ قطرها حوالي 10 microns، نجد أننا نتعامل أساساً مع خلية صغيرة مغمورة في حجم كبير من السائل.
باستخدام الأجهزة الموائعية الدقيقة، يمكننا التحكم في البيئات المحيطة بالخلية. كما يمكن التحكم في التواصل بين الخلايا، وكذلك تأثير العوامل الذائبة الخلوية، بدقة أكبر بكثير مما هو الحال عند إجراء التجربة على نطاق أوسع في طبق بتري. لذا، فإن هذه التطورات الجديدة في الموائعية الدقيقة تحمل الكثير من الآمال فيما يتعلق بالتحكم وقابلية التكرار مقارنة بالطرق التقليدية.
تتضمن أبحاثنا حول استخدام أجهزة الموائع الدقيقة (microfluidic devices) في دراسة هجرة الخلايا تطوير أجهزة جديدة يمكنها الحفاظ على تدرج ثابت من العوامل الذائبة فوق الخلايا، بحيث يمكننا دراسة كيفية استجابة الخلايا لعوامل نمو أو كيموكينات مختلفة. ويتطلب ذلك تحكماً دقيقاً في تدفق السوائل فوق مجموعة من الخلايا أو خلية واحدة، وهو أمر بالغ الأهمية وأساسي في معظم العمليات البيولوجية مثل التخلق الشكلي (morphogenesis)، والانتشار السرطاني، واستجابة الخلايا المناعية. وبالشكل ذاته الذي تعمل به أجهزة الموائع الدقيقة المخصصة لتوليد التدرجات، فإن الأجهزة المستخدمة لاستزراع العصبونات، وخاصة العصبونات المترابطة، تمثل تطوراً حديثاً في مجال الموائع الدقيقة.
باستخدام هذه الأجهزة، نتمكن من عزل وتنقية الكسور المحورية والحصول أيضاً على بنيات مستقطبة للغاية. وفي هذه الحالة، ومقارنةً بالمقاييس التقليدية مثل الفراغات والغرف، حيث كان من الصعب أحياناً منع التسرب ومواجهة صعوبات تجريبية أخرى، توفر الأجهزة الموائعية الدقيقة نتائج أكثر قابلية للتكرار بشكل عام، وفي الوقت ذاته توفر منصة متوافقة بصرياً حيث يمكننا إجراء مجهرية عالية الدقة.
ويُستخدم هذا الجهاز لإجراء تجارب تهدف إلى دراسة كيفية حدوث النقل المحوري. فمن خلال استخدام جهاز استزراع الخلايا العصبية الموائع الدقيقة الجديد هذا، يقوم العديد من المتعاونين معنا في جميع أنحاء البلاد بدراسة نماذج مختلفة من التنكس العصبي مثل مرض الزهايمر، ومرض باركنسون، و ALS. لقد كنت محظوظة جداً بوجود متعاونين ممتازين في قسمي العلوم العصبية وعلم الأمراض هنا في جامعة كاليفورنيا، إيرفاين (uc Irvine). حيث أتعاون بشكل وثيق مع كار كامان ستيوارت وإد مونكي ومختبر ليزا فلاناجان.
تتضمن تعاوناتنا الاجتماع بانتظام ومحاولة معرفة المشكلات التي يواجهها علماء الأحياء. ومن خلال هذه الاجتماعات الدورية، نجد أنه على الرغم من توفر الأدوات التقليدية، لا تزال هناك العديد من التطبيقات التي يمكننا، بصفتنا مهندسين حيويين طبيين، لعب دور كبير فيها لتحسين وفهم هذا البحث الطبي الحيوي. فعلى سبيل المثال، كان تعاوننا مع مختبر الدكتور Monki والدكتور Flanagan على مدار السنوات الخمس الماضية مثمراً للغاية.
أولاً، يمكن لطلابنا تعلم كيفية العمل بشكل وثيق مع مجموعات من تخصصات علمية مختلفة. وفي الوقت ذاته، كنا محظوظين في معالجة مشكلات في بيولوجيا الخلايا الجذعية. فعلى سبيل المثال، أتاح استزراع وتمايز الخلايا الجذعية داخل أجهزة الموائع الدقيقة منظوراً جديداً حول كيفية تصرف الخلايا الجذعية في تدرج لمورفو جين مثل BMP.
وأعتقد أن هذا النوع من التعاون سيكون جزءاً مهماً من العلوم في المستقبل مع تزايد اهتمام المهندسين بالبحوث الطبية الحيوية. وفي الوقت ذاته، ومع نمو الحاجة إلى أدوات جديدة بقدرات متطورة في مجالات العلوم العصبية والعلوم الحيوية الأخرى، أتوقع أن يكون هناك الكثير من التعاونات المثمرة التي ستدفع مجال البحوث الطبية الحيوية حقاً إلى الأمام. علاوة على ذلك، أعتقد أن مجال الموائع الدقيقة والأنظمة الحيوية يمر بمرحلة مثيرة.
هناك الكثير من التطبيقات الجديدة التي يتم تطويرها بشكل أساسي كل يوم. وأتوقع أنه في غضون خمس سنوات، سيكون هناك عدد أكبر بكثير من علماء الأحياء الذين يستخدمون هذا النوع من الأجهزة في أبحاثهم اليومية، وفي التجارب الروتينية، أو لدراسة هجرة الخلايا أو لأغراض خاصة أخرى. وبما أن هذه الأجهزة توفر العديد من المزايا مقارنة بالطرق التقليدية القائمة على زراعة الخلايا في أطباق بيتري، فإنني أعتقد أن الخيال هو الحد الوحيد لتطوير أنواع جديدة من التطبيقات.
وأعتقد أن التعاون الوثيق مع علماء الأحياء سيؤدي إلى ابتكار أنواع جديدة من الأجهزة، والتي ستلعب دوراً هاماً في التقدم المستقبلي للأبحاث الطبية الحيوية.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
يناقش Newly John من جامعة كاليفورنيا إيرفاين أبحاثه في تطوير أجهزة طبية حيوية وموائعية دقيقة مبتكرة لأبحاث العلوم العصبية والخلايا الجذعية. يستفيد هذا المجال الناشئ من تقنيات صناعة الدوائر المتكاملة لإنشاء أجهزة مصغرة لتطبيقات بيولوجيا الخلية.
المكونات الرئيسية للدراسة
مجال العلوم
- الهندسة الطبية الحيوية
- علم الأعصاب
- الموائع الدقيقة
خلفية علمية
- تعد الموائع الدقيقة تخصصاً حديثاً تطور على مدار العقد الماضي.
- وهي تعتمد على طرق مستمدة من صناعة الدوائر المتكاملة.
- وعادةً ما تستخدم التجارب البيولوجية التقليدية مقاييس أكبر، مثل أطباق بتري.
- وغالباً ما تكون الخلايا مغمورة في أحجام كبيرة من السوائل، مما قد يحد من دقة التجارب.
الغرض من الدراسة
- تطوير أجهزة صغيرة تحتوي على قنوات وخزانات لتطبيقات بيولوجيا الخلية.
- تحسين دقة التجارب التي تتضمن خلايا صغيرة.
- استكشاف إمكانات التصغير في البحوث الطبية الحيوية.
الطرق المستخدمة
- تطوير أجهزة طبية حيوية مبتكرة.
- تطبيق تقنيات الموائع الدقيقة.
- الاستفادة من طرق التصغير المستخدمة في الدوائر المتكاملة.
- التصميم التجريبي الذي يركز على التطبيقات البيولوجية صغيرة النطاق.
النتائج الرئيسية
- ابتكار أجهزة قادرة على التحكم في أحجام صغيرة من السوائل.
- تعزيز القدرة على إجراء التجارب على مقياس ميكروي.
- إمكانية تحسين النتائج في أبحاث العلوم العصبية والخلايا الجذعية.
- استعراض مزايا إعدادات التجارب المصغرة.
الاستنتاجات
- تمثل الأجهزة الموائعية الدقيقة تقدماً كبيراً في الأبحاث البيولوجية.
- يمكن أن يؤدي التصغير إلى تجارب أكثر دقة وانضباطاً.
- من شأن المزيد من التطوير في هذا المجال أن يحدث تحولاً في تطبيقات علوم الأعصاب والخلايا الجذعية.
الأسئلة الأكثر شيوعاً
الأهمية الصناعية التنفيذية
تتيح الأجهزة الموائعية الدقيقة تحكماً دقيقاً في البيئات الدقيقة للخلايا، مما يعالج تحدياً رئيسياً في أبحاث العلوم العصبية والخلايا الجذعية حيث تفتقر نماذج أطباق بيتري التقليدية إلى الدقة المكانية والزمانية. تدعم هذه التقنية تقليل المخاطر الميكانيكية من خلال السماح بالعزل الموائعي للمقصورات المحورية والجسدية، مما يسهل دراسات الإصابات المستهدفة وجمع كسور نقية للتحليلات اللاحقة. كما تعزز هذه المنصة الثقة التنبؤية في التحقق من الأهداف وتطوير المقايسات من خلال تحسين قابلية التكرار وتمكين التصوير عالي الدقة للخلايا الحية.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير الصيدلاني الحيوي
الاكتشاف المبكر والتحقق من صحة الهدف
- القيمة العلمية: يتيح استجواب الفرضيات العلاجية من خلال العزل الميَعِي للمقاطع العصبية لدراسة الاستجابات الخاصة بكل مقطع للمؤثرات الذائبة.
- القيمة التشغيلية: يدعم التحقق من الأهداف الوظيفية من خلال الحفاظ على الهياكل العصبية المستقطبة لمدة تصل إلى 2-3 أسابيع، مما يسمح بالتقييم الطولي للنقل المحوري والتنكس.
- القيمة التنبؤية: يعزز الثقة في دراسات الارتباط بالهدف عن طريق تقليل التباين التجريبي من خلال التحكم الدقيق في البيئة المجهرية والتدرجات الميَعِيّة القابلة للتكرار.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: يوفر منصة موحدة لتحضير أنظمة بيولوجية مصادق عليها مع فصل مائعي، مما يتيح إجراء فحص موثوق للمركبات في مقصورات محورية أو جسيمية متميزة.
- القيمة التشغيلية: يعزز إمكانية تكرار المقايسة وقابليتها للتطوير من خلال أجزاء بوليمرية مصبوبة بدقة وتوافق مع مجهر التباين التفاضلي (DIC)، والتباين الطوري، والمجهر البؤري، والمجهر ثنائي الفوتون.
- فائدة المنصة: يدعم التحليلات الكيميائية الحيوية اللاحقة مثل تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR) على أجزاء محورية نقية، مما يزيد من جاهزية الفحص لتوضيح الأهداف والمسارات.
الأبحاث الانتقالية وما قبل السريرية
- الأهمية الترجمية: ينمذج إصابات الجهاز العصبي المركزي والتنكس العصبي من خلال تمكين التوصيل الموضعي للمواد السامة أو التجمعات إلى الحجرات المحورية لمدة تصل إلى 20 ساعة بعد تغيير الوسط.
- الاستمرارية قبل السريرية: يربط بين مرحلتي الاكتشاف والتحقق قبل السريري من خلال السماح بالزراعة الطولية والكيمياء النسيجية المناعية ذات النقاط النهائية الثابتة لتقييم النتائج الهيكلية والوظيفية.
- التقدم المعدل حسب المخاطر: يدعم قرارات المضي قدماً أو التوقف من خلال توفير قراءات كمية محددة لكل حجرة، مما يقلل من الغموض الميكانيكي في المسارات المستهدفة.
تكامل مسارات العمل والتدفقات الإجرائية
تتكامل منصة المزارع العصبونية الموائع مجهرية (microfluidic) ضمن سلسلة الاكتشاف، بدءاً من اختبار الفرضيات مروراً بتحديد المركبات الرائدة وصولاً إلى التحقق قبل السريري، مما يدعم دورات التصميم والاختبار التكرارية في تطوير العلاجات العصبية.
- بيولوجيا الاكتشاف: تدعم اختبار الفرضيات من خلال تمكين التحكم الدقيق في الزمان والمكان لتدرجات العوامل القابلة للذوبان لدراسة الانتحاء الكيميائي، والتخلق الشكلي، واستجابات الخلايا المناعية في تنسيق اختزالي.
- الفحص: توفر الجاهزية للمقايسة من خلال مقصورات متوافقة بصرياً ومعزولة سائلِيّاً، مما يسمح بتقييم المركبات بالتوازي دون حدوث تلوث تبادلي.
- التحليلات: تولد قياسات كمية للمتغيرات التابعة، مثل شدة الفلورة المحورية، وسرعة النقل، والملفات الجزيئية القائمة على PCR من الكسور المنقاة.
- الأبحاث الانتقالية: ترتبط بسير العمل في المرحلة ما قبل السريرية من خلال نمذجة آليات اعتلال الجهاز العصبي المركزي، مثل التنكس المحوري وعجز النقل المرتبط بمرض Alzheimer ومرض Parkinson.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: تعمل كمنصة قابلة لإعادة الاستخدام عبر المشاريع نظراً لقدرتها على التكيف مع مختلف أنواع الخلايا العصبية، ومشتقات الخلايا الجذعية، ومقاييس العوامل القابلة للذوبان.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تعزز الثقة التنبؤية في التحقق من الهدف من خلال تقليل الضجيج البيولوجي وتمكين تقليل المخاطر الميكانيكية عبر الاضطراب الخاص بالمقصورة.
- القيمة التشغيلية: توفر التوحيد القياسي وقابلية التكرار من خلال القولبة الدقيقة والتحكم في الموائع، مما يقلل من التباين بين الآبار وبين التجارب.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن كفاءة رأس المال عن طريق تقليل النتائج الإيجابية الكاذبة في الفرز الأولي وتقليل معدلات الفشل في المراحل المتأخرة بفضل دقة المحاكاة البيولوجية الأفضل.
- التأثير على المحفظة: تتيح ترتيب أولويات المرشحين للعلاجات العصبية وفقاً للمخاطر المعدلة من خلال تحديد الفعالية والسمية بدقة على مستوى كل مقصورة.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في تصميم الموائع الدقيقة، وزراعة الخلايا العصبية، وتصوير الخلايا الحية لتحسين تصنيع الجهاز والإعداد التجريبي.
- يعتمد على توفر أدوات تصنيع الموائع الدقيقة، وأنظمة التحكم في الضغط للعزل الهيدروستاتيكي، ومنصات مجهرية متوافقة.
- يستلزم توحيد المعايير بين الفرق الهندسية والبيولوجية لضمان تشغيل الجهاز وتفسير البيانات بشكل متسق.
- يتضمن اعتبارات التكييف عند التوسع من عصبونات الجهاز العصبي المركزي (CNS) إلى أنواع خلوية أخرى، مثل الخلايا الجذعية أو الخلايا المناعية، نظراً لاختلاف خصائص الالتصاق والهجرة.
- يتقيد بالحاجة إلى تقنيات التعقيم وبروتوكولات تغيير الوسط الحفاظ على العزل المائعي خلال فترات الزراعة الممتدة (2-3 weeks).
