ميكروفلويديك طلبات للحصول على تشخيص احدة

اسمي كاثرين كلاود بريدج وأنا أستاذة في التصنيع والهندسة والهندسة الطبية الحيوية في جامعة بوسطن. وأنا مدير مختبر الأجهزة الطبية الحيوية الدقيقة والبيئات الدقيقة. نحن نعمل بشكل أساسي على إجراء تشخيصات يمكن التخلص منها للتطبيقات في بيئات محدودة الموارد.

لذلك نستخدم الموائع الدقيقة لصنع هذه الأجهزة. نحن مهتمون في الواقع بمجالين للدراسة. في المقام الأول ، نحن مهتمون بالنظر في كيفية تفاعل الجزيئات الحيوية والخلايا مع أسطح البوليمر البلاستيكية.

هذه هي مظلتنا الرئيسية. يتجسد هذا العمل في تطبيقات الموائع الدقيقة للتشخيص القابل للتصرف لذلك في المختبر ، ما نصنعه هو أجهزة الموائع الدقيقة.

في المواد البلاستيكية الحرارية التي لا نستخدمها ، عادة ما نستخدم PDMS ، وهي المادة المطاطية التي يستخدمها معظم الناس لصنع الموائع الدقيقة في المختبر. نصنع أجهزتنا من اللدائن الحرارية. نحن مهتمون باستخدام أجهزة اللدائن الحرارية هذه للقيام بالبيولوجيا الجزيئية على نطاق الميكرو بطريقة يمكن من خلالها إجراء البيولوجيا الجزيئية في المجال بعيدا عن المختبر المركزي.

كيف يعمل ذلك في المختبر هو أننا نصنع بطاقات بلاستيكية صغيرة وداخل تلك البطاقات البلاستيكية الصغيرة توجد أعمدة استخراج الطور الصلب أو أعمدة تحلل الخلايا أو أعمدة الخلط. نقوم أيضا بتفاعل البوليميراز المتسلسل على الرقاقة كتقنية كشف. يتم دمج كل هذه الأشياء في جهاز صغير ، في النهاية ، على المدى الطويل للبحث ، سينتهي به الأمر إلى أن يكون جهازا متكاملا يمكن حمله باليد وتنفيذه في الميدان أو في الأماكن التي لن يتوفر فيها مختبر واسع النطاق مع جميع عمليات الاندماج المركزية والحاضنات التدفئة وما إلى ذلك.

لذلك نود أن نكون قادرين على البدء بشكل مثالي بعينة بشرية مثل براز البول الدموي أو مسحة البلعوم الأنفي ، على سبيل المثال ، والتي ستكون مخاطية. ثم عند إخراج الشريحة لديك إجابة سواء كانت بنعم أم لا ، شخص ما مصاب بكائن حي دقيق معين. والطريقة التي نفعل بها ذلك هي البحث عن الحمض النووي لهذا الكائن الحمضي أو الحمض النووي الريبي ، اعتمادا على الكائنات الحية الدقيقة لتلك الكائنات الحية الدقيقة المعينة في عينة المريض.

لذا فإن التحديات التقنية التي تصل هي إلى حد كبير في جانب إعداد العينة من تلك المعادلة. لذلك عندما تبدأ بالدم أو البراز أو البول ، عليك أن تصل من موقف يكون لديك فيه عينة بشرية فوضوية بها الكثير من الجسيمات المحتملة أو مثبطات تفاعل البوليميراز المتسلسل أو تقنيات التضخيم الأخرى. وتريد أن ينتهي بك الأمر بعينة نظيفة جدا من الأحماض النووية التي يمكنك استخدامها بعد ذلك لتضخيم أو البحث عن حمض نووي أو حمض نووي معين سيخبرك ما إذا كان هناك كائن حي دقيق تبحث عنه.

لذلك من أجل تنظيف تلك العينات ، عليك القيام ببعض الأشياء. أولا ، يجب عليك تصفية العينة ، والتي اعتمادا على العينة ، يمكن أن تتضمن ترشيح الدورة التدريبية أو خطوة الدوران السريع قبل أن توضع العينة على الشريحة. لذلك نحاول دائما أن نبدأ بالعينات لأنها تأتي من الطبيب.

لذلك مع مسحات البول والبراز والبلعوم الأنفي ، هدفنا هو جعل الطبيب يقوم بعمله كما يفعل عادة ويأخذ العينة كما يفعلون عادة. ثم نأخذ تلك العينة ونضعها على الرقائق. لذلك إذا كان هناك حاجة إلى حدوث المزيد من الترشيح في هذه الخطوة ، فسيحدث هذا الترشيح في الشريحة.

تتضمن الخطوة الثانية ، نظرا لأننا نجري فحوصات جزيئية ، علينا تحلل الخلايا والكائنات الحية الدقيقة الموجودة في تلك العينة. لذلك نقوم بعد ذلك بإجراء خطوة التحلل ، والتي تتضمن عادة دفع العينة عبر مرشح صغير الحجم المسامي. في بعض الأحيان يحتوي هذا المرشح أيضا على جزيئات نانوية مثل الأنابيب النانوية الكربونية ، والتي لها حواف حادة ، والتي يمكن استخدامها لتمزيق بعض الكائنات الحية التي لها جدران خلوية أكثر قوة مثل C difficile ، وهي بكتيريا موجبة الجرام نعمل معها ، والتي يصعب جدا التخلص منها.

لذلك يجب أن يكون لدينا أعمدة تحلل أكثر قوة. لكننا عادة ما نقوم بإجراء تحلل كيميائي وميكانيكي داخل الشريحة. بعد ذلك ، هدفنا هو أخذ المحللة ثم استخراج الأحماض النووية المنقاة.

لذلك نمرر التحلل ، ونمرر المحللة فوق عمود شفط الطور الصلب الذي يرنان في رقاقة الموائع الدقيقة. وعمود استخراج الطور الصلب هذا مصنوع من البلاستيك ويتم تصنيعه باستخدام كيمياء بدأها الصورة داخل قناة الموائع الدقيقة بعد تصنيعها بالفعل. كما أنه مشرب بجزيئات السيليكا عادة لأننا نريد ربط الأحماض النووية وإطلاقها.

في بعض الحالات ، قمنا بدمج حبات oligo DT إذا أردنا ربط وإطلاقه mRNA على وجه التحديد ، على سبيل المثال ، أو الخرز الذي يحتوي على أجسام مضادة معينة ، إذا أردنا ربط وإطلاق بروتينات معينة. ويمكننا صنع أعمدة استخلاص تفعل كل هذه الأشياء. لكننا سنوضح لك اليوم كيفية القيام بذلك ، قم بعمل عمود استخراج sase بخرز السيليكا.

لذا بعد أن نفعل ذلك ، مرر المحللة فوق عمود السيليكا ، فهي تعمل تماما مثل مجموعة الكيوجين التي تعمل في مختبر المقياس الكبير. ثم نغسل للتخلص من كل الأشياء الأخرى التي لا نريدها ، كل الكربوهيدرات والدهون والأشياء الأخرى في محللة الخلية وفي بقية العينة البشرية التي لا نريدها. ثم في النهاية ، نشير بالماء.

والشيء الجميل في أعمدة استخلاص الطور الصلب الدقيقة هذه هو أنه يمكننا التخلص بكمية صغيرة جدا من الماء، عادة في حدود واحد إلى خمسة ميكرولتر. ونحن نستعيد تقريبا جميع الأحماض النووية التي نضعها. لدينا معدل كفاءة يتراوح بين 70 و 90٪ وأول 10 ميكرولترات نحصل عليها من تلك القناة.

لذلك إذا غسلنا مرتين باثنين إلى 10 ميكرولتر، فإننا نستعيد تقريبا جميع الأحماض النووية التي نضعها هناك. لذلك فهي ليست فقط عينة نظيفة قادرة على تفاعل البوليميراز المتسلسل ، بل إنها أيضا عينة أكثر تركيزا مما يمكنك الحصول عليه باستخدام مجموعة قياسية من مقاعد البدلاء. لذا فإن الهدف النهائي من كل تقنيات تحضير العينات هذه هو صنع أشياء متوافقة مع بعض الأعمال الأخرى التي قام بها الناس.

عمل جميل جدا في هذا المجال يوضح أنه يمكنك القيام بتضخيم تفاعل البوليميراز المتسلسل على شريحة. يمكنك إجراء تفاعل النسخ العكسي على شريحة إذا كنت تتعامل مع فيروس RNA أو إذا كنت ترغب في إجراء تجربة التعبير الجيني. يمكن أن تقترن تقنيات تحضير العينات الخاصة بنا مباشرة ب PCR على شريحة ، لذلك لن تضطر إلى القيام بأي من عمليات التنظيف وإعداد العينات على مقاعد البدلاء.

وأيضا خطوة التركيز التي ستحتاج إلى القيام بها من أجل الحصول على الأحجام الصغيرة اللازمة لإجراء تفاعل البوليميراز المتسلسل متعدد الإرسال على شريحة صغيرة. لذا فإن التجارب التي سنعرضها لكم اليوم توضح كيف نقوم بتجميع شريحة الموائع الدقيقة ، وهي مصنوعة من اللدائن الحرارية وليس PDMS. لذلك يتطلب الأمر عملية تصنيع مختلفة قليلا عما هو مستخدم عادة ، وكيفية إغلاق هذه الرقائق.

ثم كيف نقوم بعمل الكيمياء التي تبدأ بالضوء داخل الرقاقة لصنع متراصة البوليمر التي تستخدم لكل من تحلل الخلية واستخراج الطور الصلب. وفي نهاية هذه العملية ، والتي هي الآن عمليات معيارية في المختبر ، ولكن يمكن دمجها ، تعطيك في النهاية عينة عالية التركيز من الأحماض النووية ، الحمض النووي الريبي والحمض النووي في الماء ، والتي يمكن أن تنتقل بعد ذلك إلى وحدة تفاعل البوليميراز المتسلسل أو وحدة تضخيم أخرى حيث يمكن أن يحدث تحديد كائن حي دقيق أو عدوى. لذلك لدينا بالفعل منحة نعمل عليها الآن حيث لدينا ، بدأنا في جمع عينات بشرية من مركز بوسطن الطبي من المرضى الذين قد يكونون مصابين أو لا يكونون مصابين بالإنفلونزا A.So نظرا لأنه موسم الإنفلونزا ، فهذه هي العينات التي نجمعها.

ثم في المختبر ، نقوم بإجراء فحوصات المعيار الذهبي للنظر في ما إذا كان شخص ما مصابا بالإنفلونزا A أم لا ، وهو في الأساس اختبار ثقافي ، والذي يستغرق عدة أيام لتنفيذه. وجنبا إلى جنب مع ذلك ، نضع هذه العينات من خلال وحدات شريحتنا الآن. لذلك وضعناها في عمود التحلل ، ونضعها في عمود استخراج الطور الصلب ، ثم نقوم بإجراء تفاعل البوليميراز المتسلسل لنرى مدى جودة أدائنا مقارنة بالطرق القياسية الذهبية.

هذه هي المرحلة التي نحن فيها الآن. إذا نجحت هذه التجارب ، أعتقد أنه خلال السنوات القادمة ، كما تعلمون ، ربما سنكون في وضع يكون لدينا فيه شريحة متكاملة ومقايسة كاملة للإنفلونزا A ونعمل أيضا على عينات المطثية العسيرة والبراز. ونحن ، نحن أيضا قريبون جدا من دمج ليس فقط الجهاز ، ولكن أيضا ، المقايسة المتكاملة.

لذلك يجب أن يحدث كل من تطوير الفحص وتصميم الرقاقة جنبا إلى جنب. لذلك بالنسبة لتطبيق معين ، الوصول إلى السرير ، إنها حقا عملية موجهة نحو الهدف. عليك أن تعرف ، كما تعلمون ، العينة التي تبدأ بها والكائنات الحية الدقيقة التي تبحث عنها من أجل تحسين الشريحة للاستخدام بجانب السرير.

لذلك أنا ، لا أعتقد أننا بعيدون عن تحقيق ذلك بطريقة أولية. هذه هي أهدافنا النهائية ، لذلك آمل أن نصل إلى هناك.