BioMEMS and Cellular Biology: Perspektiven und Anwendungen

Ich bin Albert Falk. Ich bin Professor an der University of Washington in Seattle und beschäftige mich mit dem weiten Bereich der Biome, der für biomedizinische mikroelektromechanische Systeme steht. Und wir arbeiten an Mikrofluidik und konzentrieren uns auf Anwendungen in der Zellbiologie, vor allem in den Neurowissenschaften.

Einer der Schwerpunkte des Labors ist es, die Grenzen der traditionellen Zellkulturtechnologie zu überwinden. Wenn man sich anschaut, wie Zellbiologen Zellen untersuchen, in vitro in einer, in einer Petrischale, dann merkt man sofort, dass die Zellen in einem homogenen Zellkulturmedium gebadet sind, und sie sitzen auch auf einer, auf einer homogenen Oberfläche. Im Körper befinden sich die Zellen jedoch nicht auf einer homogenen Oberfläche.

Sie werden nicht in einem homogenen Medium gebadet. Sie sind tatsächlich einer Vielzahl von Signalen ausgesetzt, die sich in Raum und Zeit ändern, oft in Form von Gradienten, und sie sind von einer gelartigen Matrix umgeben. Es gibt auch einige praktische Einschränkungen: Wenn Sie Zellen in einer Petrischale untersuchen, benötigen Sie einen Inkubator, der ein großes und teures Gerät ist.

Normalerweise wollen Biologen eine Reihe verschiedener Erkrankungen untersuchen. Sie wollen Zellen in einer, sagen wir, Zellkultur A und Zellkultur B untersuchen.Es gibt eine große Variabilität in der Art und Weise, wie Zellen auf diese Verbindungen reagieren. Typischerweise setzen die Biologen die Zellen auf verschiedene Petrischalen und sie, vielleicht machen sie es in dreifacher Ausfertigung und, und dann untersuchen sie eine Reihe von Bedingungen, so dass sie am Ende eine Menge Zellkultur, Medium, viele Vorräte, viele Schalen verwenden, und das nimmt viel Platz ein.

Also versuchen wir, das zu miniaturisieren, und das ist ein Aspekt davon. Auch das Austauschen und Einsetzen der Zellen und das Austauschen des Zellkulturmediums erfordert viel Pipettieren. Das ist sehr teuer in Bezug auf die Menge an Zeit und Personal, die es erfordert, und auch in Bezug auf die Menge an Flüssigkeiten, die in die Petrischale hinein- und herausgebracht werden müssen.

Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass man eine große Anzahl von Zellen verwenden muss, um alle Oberflächen mit Zellen zu füllen, und das erfordert oft, dass viele Tiere geopfert werden müssen. Und es kann auch sein, es kann teuer werden, nur wegen der schieren Zahlen. Unterm Strich kosten die traditionellen Techniken also viel Geld.

Sie sind sehr teuer, sowohl in Bezug auf die Zeit und das Personal, das für die Durchführung eines Experiments erforderlich ist, als auch in Bezug auf die Ausbeute in der Praxis, Biologen gehen Kompromisse bei der Anzahl der vorhandenen Oberflächen ein oder es werden Bedingungen untersucht. Und so handelt es sich um statistisch sehr schwache Daten. Die Schlussfolgerungen in einer typischen biologischen Studie sind nach technischen Standards sehr qualitativ, und so endet es damit, dass alle diese Studien nicht skalierbar sind.

Also, und das wird jetzt zu einem großen Problem mit der Ära des Genombereichs, in der die Menschen eine große Anzahl von Bedingungen untersuchen wollen, viele Variablen, und um neue Variablen zu finden, neue Zellphänomene, die nur durch die Untersuchung einer großen Anzahl von Zellen und Bedingungen aufgedeckt werden können. Mikrofabrikationstechniken bieten uns also mehrere Vorteile, die wir aus unterschiedlichen Gründen nutzen. Es gibt Vorteile erstens, von einem fundamentalen Standpunkt aus, so wie in der Mikroelektronik Transistoren am besten funktionieren, besser funktionieren, weil sie kleiner sind.

Auch hier haben wir Geräte, die auf Skalen zugreifen, die in der Größenordnung des zu untersuchenden Objekts liegen, das Zellen sind. Die Mikrofabrikationstechnologie kann diese Einschränkungen überwinden, nicht auf eine Weise, sondern auf einmal, in vielerlei Hinsicht. Es ermöglicht Ihnen, einzelne Zellen in sehr großer Anzahl zu untersuchen.

Das gibt Ihnen sofort sehr quantitative Schlussfolgerungen. Außerdem können Sie damit billige Experimente durchführen. Außerdem sind diese Systeme sehr kostengünstig in der Herstellung, in dem Sinne, dass Sie viele Geräte zum Preis von einem herstellen können.

Außerdem sind sie billig zu betreiben, weil sie einfach sind und sehr gut automatisiert werden können. Diese Vorteile der niedrigen Herstellungskosten und der niedrigen Betriebskosten führen dann zu einer, sehr erfolgreichen, kommerziellen, kommerziellen Implementierungen. Und schließlich sind diese Systeme auch sehr, sehr zugänglich für quantitatives Design.

Das ist sehr wichtig, denn auf diese Weise können wir das Verhalten eines mikrofluidischen Geräts oder der Herstellung einer Oberfläche modellieren und genau wissen, wie es funktionieren wird. Und dann gehen wir zurück, wir, das geschieht durch Modellieren. Wir gehen noch nicht in die, ins Labor.

Und dann, wenn in der Theorie alles funktioniert, gehen wir ins Labor und setzen es um und sparen viel Zeit dabei. Eine der wichtigsten Technologien, die wir in unserem Labor verwenden, heißt weiche Lithographie und es handelt sich um Techniken der Familie, um Schwestertechniken, die von George Whiteside in Harvard seit den frühen neunziger Jahren entwickelt wurden. Und sie basieren auf der Replikation und Formgebung eines Materials, eines transparenten Elastomers namens Polymethyl Sloane oder PDMS-Biologen, das Biologen unter seinem Markennamen S Guard 180 4 kennen, das von do Corning hergestellt wird.

Und es ist im Wesentlichen transparenter Gummi ist ein, ist ein Gerät. Sie können es biegen und es ist, wie gesagt, es kann geformt werden, es kann wiederholt aus derselben Form eingefügt werden, und was teuer in der Herstellung ist, ist die Form. Und, aber, das Material, wir kaufen es eimerweise.

Es ist, es ist, wissen Sie, es ist nicht sehr teuer. Dann ist es auch sehr biokompatibel. Es ist, man kann sogar Zellen darauf säen, darauf.

Es wird in Implantaten verwendet. Und ein weiterer großer Vorteil ist, dass es transparent ist, und das ist sehr, sehr wichtig für eine biologische Mikroskopie, die, wie Sie wissen, eine sehr wichtige Analysemethode in biologischen Studien ist. Und das, das, das Formverfahren, wie Sie in den Videos aus dem Labor sehen können, ist sehr, es ist sehr einfach, sehr unkompliziert.

Es geht nur darum, zwei Komponenten zu mischen. Und wissen Sie, jeder kann das tun. Es ist wie beim Kochen und Einschieben in den Ofen.

Sogar mein Sohn, der vier Jahre alt ist, kam ins Labor und stellte tatsächlich Gummi her. Und so ist es wirklich einfach. Mikrofluidik ist die Lehre vom Verhalten von Flüssigkeiten.

In kleinen Kanälen kann man, wie ihr wisst, keinen Stein unter Wasser werfen. Das liegt daran, dass du, die, die Kräfte, die, die Reibungskräfte zwischen dem Stein und dem Wasser sehr groß sind im Vergleich zu der Kraft, die du auf ihn ausübst. Etwas Ähnliches passiert in klein ch in einem kleinen Kanal, wo die Situation umgekehrt ist.

Das Wasser ist das, das Objekt, das sich bewegt, und das, und die Wände um es herum, IM üben aufgrund des hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses in Mikrokanälen eine sehr starke Wirkung aus. Und so sind diese Trägheitskräfte sehr klein im Vergleich zu den viskosen Kräften und der Reibung, die durch die Wände verursacht wird. Da also die viskosen Kräfte dominieren, treten in Mikrokanälen nie Turbulenzen auf, also haben wir ein Strömungsregime, das als laminare Strömung bekannt ist, weil die Flüssigkeit in Schichten einströmt.

Und hier wird ein Beispiel gezeigt, wo sich verschiedene Bäche nicht vermischen können, weil sie nebeneinander fließen. Es gibt keine Turbulenzen, die das Mischen beschleunigen, wie es beim Steuern einer Tasse Kaffee der Fall ist. Da nun die viskosen Kräfte dominieren und es sehr schwierig ist, Turbulenzen im Mikrokanal zu haben, bedeutet das, dass sich zwei Ströme, die in einen Kanal übergehen, nicht vermischen, also nur durch Diffusion sehr langsam

Jetzt machen wir uns diese Eigenschaft zunutze, um verschiedene Teile einer Zellpopulation oder sogar eine einzelne Zelle unterschiedlichen Flüssigkeiten auszusetzen. Und der Grund, warum wir das tun, ist, dass es in vivo so passiert. Im Inneren des Organismus sind die Zellen Gradienten von Substanzen ausgesetzt, und das oft sehr vorübergehend.

Da wir also genau wissen, dass wir sogar das Verhalten der Flüssigkeiten in der, der, die Diffusion der verschiedenen Substanzen im Fluidstrom modellieren können, wissen wir, welche Konstante, welche Nachteile, welcher Konzentration die Zelle ausgesetzt ist und welcher Teil der Zelle welcher Konzentration ausgesetzt ist. Das ermöglicht es uns, sehr quantitative Studien über die Exposition von Zellen gegenüber einer bestimmten Substanz durchzuführen. Als Beispiel dafür, wie laminare Strömung zur Untersuchung von Zellen genutzt werden kann, haben wir ein Projekt im Labor, das wir tatsächlich versuchen, bei dem wir eine Muskelzelle dazu bringen, zu denken, dass sie von einem Neuron inaktiviert wird.

Während der Entwicklung passiert also, dass der Nerv irgendwann beim Muskel ankommt und eine Substanz namens Arin absondert, die an der Geburt der Synapse beteiligt ist. Und was wir also tun, ist etwas, das konzeptionell eigentlich sehr einfach ist. Wir setzen Muskelzellen in ein Gerät und setzen es einer Strömung aus, die Rin nur im mittleren Teil des Flusses enthält.

Das ermöglicht es uns, so zu tun, als wäre das Gerät der Nerv und die Muskelzellen im Gerät sind der echte Muskel während der Entwicklung. Ein weiteres Beispiel, bei dem die Mikrofluidik sehr leistungsfähig ist, ist die Untersuchung der Axonführung. Hier ist die Idee, die Tatsache zu nutzen, dass wir wissen, dass wir sehr gut vorhersagen können, wie Flüssigkeit in a, in, in kleinen Volumina diffundiert, um Gradienten von Substanzen zu erzeugen.

Und während der Entwicklung sind Gradienten verantwortlich, die teilweise dafür verantwortlich sind, wie Nervenzellen ihre Ziele finden. Also versuchen wir, das in einer Petrischale zu reproduzieren. Im Inneren eines Mikrokanals ist der Geruchssinn ein faszinierendes Sensorsystem.

Neuronen in der Nase, sagen wir von Mäusen, exprimieren jeweils nur eine Art von Geruchsrezeptor. Es gibt etwa tausend verschiedene Geruchsrezeptor-Gene in m bei Mäusen. Und jeder Rezeptor bindet an eine, eine Reihe von Geruchsstoffen und jedes Odin bindet an mehrere Rezeptoren.

Und damit wir glauben, dass die Art und Weise, wie wir Gerüche wahrnehmen, auf kombinatorische Weise auf traditionelle Fraktionsforschung zurückzuführen ist, ist es schwierig, Übereinstimmungen zwischen einer großen Anzahl von Geruchsstoffen und einem gegebenen Rezeptor oder einem Geruchsstoff und einer großen Anzahl von Rezeptoren zu finden. Und das liegt daran, dass es sehr schwierig ist, ein bestimmtes Neuron oder sensorisches Faktorneuron einer Reihe von Geruchsstoffen auszusetzen, und umgekehrt, wenn ein Geruchsstoff gegeben ist, ist es sehr schwierig, alle Neuronen im olfaktorischen Epithel freizulegen. Unser Ansatz bestand also darin, das olfaktorische Epithel zu nehmen und es in dissoziierte Zellen zu zerlegen und sie auf ein Array in einem großen Mikroarray von Mikrovertiefungen zu legen, eine Zelle pro Mikro.

Nun, und in einem Sichtfeld haben wir typischerweise Zehntausende von Neuronen, die wir mit Kalzium-Bildgebung abbilden, und wir schauen uns die Aktivierungsmuster dieser Neuronen an, dieser großen Anzahl von Neuronen zu Geruchsstoffen und Gruppen von ODs. Und das ermöglicht es uns, sicher zu sein, dass wir für jeden gegebenen Geruch und für den wir uns entscheiden, den gesamten Raum der Geruchsrezeptoren betrachten. Es gibt mindestens einen oder mehrere Rezeptoren, die auf diesem Array repräsentiert sind.

Und auf diese Weise wissen wir, dass wir Fragen stellen können, wie zum Beispiel, wie viele der Zellen, die Bananen riechen, auch Zitrone riechen. Diese Mikrofluid- und Mikrostrukturierungstechniken sind eigentlich recht einfach, und der Grund, warum sie von der Zellbiologie nicht weiter verbreitet wurden, liegt meiner Meinung nach an einem kulturellen Unterschied zwischen Ingenieuren und Biologen. Biologen sind in der Regel etwas zurückhaltend, wenn nicht sogar allergisch gegenüber neuen Technologien, und Ingenieure sind in der Regel nicht sehr kompetent in der Zellbiologie oder der Biologie im Allgemeinen.

Und was wir sehen werden, glaube ich, in naher Zukunft sind Biologen, die selbst nicht an die Tür von jemandem wie mir klopfen müssen. Sie werden in der Lage sein, ein einfaches Gerät zu entwerfen und das Design zu einer Gießerei wie der Alu-Gießerei zu bringen, und sie werden das Gerät in ein oder zwei Tagen mit FedEx-Nachrichten zurückerhalten, und es wird für sie sehr einfach sein, das Experiment selbst durchzuführen.