Name: BioMEMS and Cellular Biology: Perspektiven und Anwendungen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: Erfahren Sie, wie Mikrofluidik die Grenzen traditioneller Zellkultur überwindet und physiologisch relevantere Modelle für die Neurowissenschaft schafft. Diese Methode ermöglicht präzisere Studien zellulärer Verhaltensweisen.

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biomems and cellular biology: perspektiven und anwendungen

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

Die Fähigkeit zur Kultivierung von Zellen revolutioniert hat Hypothesentests in grundlegende zell-und molekularbiologische Forschung. Es ist inzwischen eine Standard-Methode in Wirkstoff-Screening, Toxikologie und klinischen Tests, und wird zunehmend in der regenerativen Medizin eingesetzt. Allerdings hat die traditionellen Zellkultur Methodik im Wesentlichen bestehend aus der Immersion einer großen Population von Zellen in einer homogenen fluiden Medium und auf einer homogenen ebenen Untergrund zunehmend begrenzt werden aus fundamentaler und praktischer Perspektive. Microfabrication Technologien haben die Forscher zu entwerfen aktiviert, mit Mikrometer-Steuerung, die biochemische Zusammensetzung und die Topologie des Substrats, und das Medium Zusammensetzung, sowie der benachbarten Zelle Typ in der umgebenden zellulären Mikroumgebung. Darüber hinaus ist der Mikrotechnik konzeptionell gut geeignet für die Entwicklung von schnellen, kostengünstigen in-vitro-Systeme, die für High-Throughput-Kultivierung und Analyse von Zellen unter einer großen Anzahl von Bedingungen zu ermöglichen. In diesem Interview erklärt Albert Folch diese Einschränkungen, wie sie mit Soft-Lithographie und Mikrofluidik überwunden werden können, und beschreibt einige relevante Beispiele der Forschung in seinem Labor und zukünftige Richtungen.

BioMEMS and Cellular Biology: Perspektiven und Anwendungen

Die Fähigkeit, Zellen zu kultivieren, hat die Hypothesenprüfung in der grundlegenden Zell- und Molekularbiologie revolutioniert. Sie hat sich zu einer Standardmethode in ...

Ich bin Albert Falk. Ich bin Professor an der University of Washington in Seattle, und ich arbeite im weiten Bereich der Biome, was für biomedical micro electromechanical systems steht. Wir beschäftigen uns mit Mikrofluidik und konzentrieren uns auf Anwendungen in der Zellbiologie, vor allem in der Neurowissenschaft.Einer der Schwerpunkte des Labors besteht darin, die Einschränkungen der herkömmlichen Zellkultivierungstechnologie zu überwinden. Wenn man betrachtet, wie Zellbiologen Zellen in vitro in einer Petrischale untersuchen, fällt sofort auf, dass die Zellen in einem homogenen Zellkulturmedium schwimmen und zudem auf einer homogenen Oberfläche liegen. Im Körper befinden sich Zellen jedoch nicht auf einer homogenen Oberfläche.Sie werden nicht in einem homogenen Medium gebadet. Tatsächlich sind sie einer Vielzahl von Signalen ausgesetzt, die sich räumlich und zeitlich verändern, oft in Form von Gradienten, und sie sind von einer gelartigen Matrix umgeben. Beim Studium von Zellen in einer Petrischale gibt es zudem einige praktische Einschränkungen: Man benötigt einen Inkubator, ein großes und teures Gerät.In der Regel möchten Biologen eine Reihe verschiedener Bedingungen untersuchen. Sie möchten Zellen in einer, sagen wir, Zellkultur A und Zellkultur B untersuchen. Es gibt eine große Variabilität in der Reaktion der Zellen auf diese Verbindungen. Daher bringen die Biologen die Zellen typischerweise auf verschiedene Petrischalen auf, möglicherweise jeweils im Dreifachansatz, und untersuchen dann eine Vielzahl von Bedingungen, wodurch sie letztendlich eine große Menge an Zellkultur, Medium, Verbrauchsmaterialien und Schalen benötigen, was zudem viel Platz in Anspruch nimmt.Wir versuchen also, das zu miniaturisieren, und das ist ein Aspekt dabei. Außerdem erfordert das Wechseln und Einbringen der Zellen sowie das Erneuern des Zellkulturmediums eine Vielzahl an Pipettierschritten. Das ist sehr kostspielig hinsichtlich des Zeitaufwands und des Personals, das damit verbunden ist, sowie hinsichtlich der Flüssigkeitsmengen, die in die Petrischale hinein- und wieder herausgebracht werden müssen.Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass eine große Anzahl von Zellen benötigt wird, um alle Oberflächen mit Zellen zu besiedeln, was häufig die Tötung vieler Tiere erforderlich macht. Außerdem kann dies allein aufgrund der schieren Menge an Zellen kostspielig sein. Kurz gesagt, die herkömmlichen Techniken verursachen letztlich hohe Kosten.Sie sind sehr kostspielig, sowohl in Bezug auf die benötigte Zeit und das Personal für die Durchführung eines Experiments als auch hinsichtlich der praktischen Ausbeute. Biologen müssen daher oft Kompromisse bei der Anzahl der untersuchten Oberflächen oder Bedingungen eingehen. Dadurch entstehen statistisch sehr schwache Daten. Die Schlussfolgerungen in einer typischen biologischen Studie sind nach ingenieurwissenschaftlichen Maßstäben sehr qualitativ, weshalb letztlich all diese Studien nicht skalierbar sind.Also, und das wird jetzt zu einem großen Problem im Zeitalter der Genomforschung, in dem Menschen große Anzahlen von Bedingungen und viele Variablen untersuchen möchten, um neue Variablen und neuartige zelluläre Phänomene zu entdecken, die sich erst durch die Untersuchung einer hohen Zahl von Zellen und Bedingungen erschließen. Mikrofertigungstechniken bieten uns daher mehrere Vorteile, die wir aus unterschiedlichen Gründen nutzen. Zunächst ergeben sich Vorteile aus grundsätzlicher Sicht, ähnlich wie bei der Mikroelektronik, bei der Transistoren besser funktionieren, weil sie kleiner sind.Hier haben wir ebenfalls Geräte entwickelt, die auf Skalen zugreifen, die in der Größenordnung des untersuchten Objekts liegen, also der Zellen. Die Mikrofertigungstechnologie kann diese Einschränkungen nicht nur auf eine, sondern auf viele verschiedene Weisen überwinden. Sie ermöglicht es Ihnen, einzelne Zellen in sehr großer Zahl zu untersuchen.Dadurch erhalten Sie unmittelbar sehr quantitative Ergebnisse. Außerdem ermöglicht es Ihnen, kostengünstige Experimente durchzuführen. Diese Systeme sind außerdem sehr preisgünstig in der Herstellung, da Sie viele Geräte zum Preis eines einzigen herstellen können.Außerdem sind sie kostengünstig im Betrieb, da sie einfach sind und sich sehr gut automatisieren lassen. Diese Vorteile – geringe Herstellungskosten und geringe Betriebskosten – führen zu sehr erfolgreichen kommerziellen Umsetzungen. Schließlich eignen sich diese Systeme außerdem sehr gut für eine quantitative Konstruktion.Das ist sehr wichtig, weil wir auf diese Weise das Verhalten beispielsweise eines mikrofluidischen Geräts oder die Herstellung einer Oberfläche modellieren und genau wissen können, wie es funktionieren wird. Danach kehren wir zurück – das geschieht durch Modellierung –, wir gehen noch nicht ins Labor.Und dann, nachdem alles theoretisch funktioniert, gehen wir in das Labor, implementieren es und sparen dabei viel Zeit. Eine der wichtigsten Technologien, die wir in unserem Labor verwenden, heißt weiche Lithografie und umfasst eine Familie verwandter Techniken, die seit Anfang der neunziger Jahre von George Whiteside an der Harvard-Universität entwickelt wurden. Sie basieren auf der Replikation und Formgebung eines Materials, eines transparenten Elastomers namens Polymethylsiloxan oder PDMS, das Biologen unter dem Markennamen Sylgard 184 bekannt ist, hergestellt von Dow Corning.Und im Wesentlichen ist transparenter Gummi ein Gerät. Man kann ihn verbiegen, und wie bereits erwähnt, lässt er sich formen und mehrfach aus derselben Form gießen. Was aufwendig in der Herstellung ist, ist die Form selbst. Doch das Material kaufen wir mengenweise pro Eimer.Es ist, es ist, wissen Sie, nicht sehr teuer. Außerdem ist es sehr biokompatibel. Man kann sogar Zellen darauf ansiedeln, darauf.Es wird in Implantaten verwendet. Und ein weiterer großer Vorteil ist, dass es transparent ist, was für die biologische Mikroskopie, wie Sie wissen, eine sehr wichtige Analysemethode in biologischen Studien, äußerst wichtig ist. Und das Formgebungsverfahren, wie Sie in den Videos aus dem Labor sehen können, ist sehr einfach und unkompliziert.Es erfordert lediglich das Mischen von zwei Komponenten. Und wissen Sie, das kann wirklich jeder. Es ist genau wie beim Kochen und anschließendem Backen im Ofen.Selbst mein vierjähriger Sohn kam ins Labor und stellte tatsächlich Kautschuk her. Es ist also wirklich einfach. Die Mikrofluidik ist die Untersuchung des Verhaltens von Fluiden.In kleinen Kanälen kann man, wie Sie wissen, keinen Stein unter Wasser werfen. Das liegt daran, dass die Reibungskräfte zwischen dem Stein und dem Wasser im Vergleich zu der Kraft, die Sie auf ihn ausüben, sehr groß sind. Ähnliches geschieht in kleinen Kanälen, allerdings ist dort die Situation umgekehrt.Das Wasser ist das Objekt, das sich bewegt, und die Wände um es herum verursachen aufgrund des hohen Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses in Mikrokanälen eine starke Reibung. Daher wirken die Wände sehr stark. Diese Trägheitskräfte sind im Vergleich zu den viskosen Kräften und der von den Wänden verursachten Reibung daher sehr gering. Da die viskosen Kräfte dominieren, tritt in Mikrokanälen niemals Turbulenz auf. Wir haben es deshalb mit einem Strömungsregime zu tun, das als laminare Strömung bekannt ist, da die Flüssigkeit in Schichten fließt.Ein Beispiel ist hier gezeigt, bei dem sich verschiedene Strömungen nicht vermischen können, weil sie nebeneinander fließen. Es liegt keine Turbulenz vor, die die Vermischung beschleunigen würde, wie dies geschieht, wenn man eine Tasse Kaffee umrührt. Da nun die viskosen Kräfte dominieren und es sehr schwierig ist, im Mikrokanal Turbulenz zu erzeugen, bedeutet dies, dass sich zwei Strömungen, die sich zu einem Kanal vereinigen, nicht vermischen, sondern sich nur sehr langsam durch Diffusion vermengen.Nun nutzen wir diese Eigenschaft aus, um unterschiedliche Bereiche einer Zellpopulation oder sogar einer einzelnen Zelle verschiedenen Flüssigkeiten auszusetzen. Der Grund dafür liegt darin, dass dies in vivo genau so geschieht. Innerhalb des Organismus werden Zellen Gradienten von Substanzen ausgesetzt, und dies häufig nur sehr vorübergehend.Da wir genau wissen, können wir sogar das Verhalten der Flüssigkeiten modellieren, die Diffusion der verschiedenen Substanzen im Flüssigkeitsstrom. Wir kennen die Konstante, die Konzentration, der die Zelle ausgesetzt ist, und welcher Teil der Zelle welcher Konzentration ausgesetzt ist. Das ermöglicht es uns, sehr quantitative Untersuchungen zur Exposition von Zellen gegenüber einer bestimmten Substanz durchzuführen. Als Beispiel dafür, wie laminarer Fluss zur Untersuchung von Zellen genutzt werden kann, haben wir ein Projekt im Labor, bei dem wir versuchen, eine Muskelzelle dazu zu bringen, zu glauben, sie würde von einem Neuron stimuliert.Während der Entwicklung geschieht nämlich Folgendes: Der Nerv erreicht irgendwann den Muskel und sondert eine Substanz namens Arin ab, die an der Entstehung der Synapse beteiligt ist. Was wir also tun, ist eigentlich konzeptionell sehr einfach. Wir geben Muskelzellen in ein Gerät und setzen sie einem Fluss aus, der nur im zentralen Bereich Rin enthält.Dadurch können wir so tun, als wäre das Gerät der Nerv, und die Muskelzellen im Gerät wären die echten Muskeln während der Entwicklung. Ein weiteres Beispiel, bei dem die Mikrofluidik äußerst leistungsfähig ist, ist die Untersuchung der Axonführung. Hier nutzt man die Tatsache, dass wir wissen, wie sich Flüssigkeiten in kleinen Volumina ausbreiten, um Substanzgradienten gezielt erzeugen zu können.Während der Entwicklung sind Gradienten teilweise dafür verantwortlich, wie Nervenzellen ihre Zielstrukturen finden. Daher versuchen wir, dies in einer Petrischale zu reproduzieren. In einem Mikrokanal ist der Geruchssinn ein faszinierendes Sensorsystem.Neuronen in der Nase, beispielsweise von Mäusen, exprimieren jeweils nur einen einzigen Typ von Geruchrezeptor. Es gibt etwa tausend verschiedene Geruchrezeptor-Gene bei Mäusen. Jeder Rezeptor bindet eine Reihe von Duftstoffen, und jeder Duftstoff bindet an mehrere Rezeptoren.Und daher glauben wir, dass die Art und Weise, wie wir Gerüche wahrnehmen, kombinatorisch erfolgt. Bei der traditionellen Rezeptorforschung ist es schwierig, Übereinstimmungen zwischen einer großen Anzahl von Geruchsstoffen und einem bestimmten Rezeptor beziehungsweise zwischen einem einzelnen Geruchsstoff und einer Vielzahl von Rezeptoren zu finden. Das liegt daran, dass es sehr schwer ist, ein bestimmtes Neuron oder sensorisches Neuron einer breiten Palette von Geruchsstoffen auszusetzen, und umgekehrt ist es sehr schwierig, bei einem gegebenen Geruchsstoff alle Neuronen im Riechepithel zu stimulieren. Daher bestand unser Ansatz darin, das Riechepithel zu entnehmen, es in einzelne Zellen zu dissoziieren und diese auf ein Array in einer großen Mikroanordnung aus Mikrotälern zu übertragen, wobei jeweils eine Zelle pro Mikrotäfelchen platziert wird.Nun, in einem Bildfeld haben wir typischerweise Zehntausende von Neuronen, die wir mittels Kalzium-Bildgebung untersuchen, und wir analysieren die Aktivierungsmuster dieser Neuronen – dieser großen Anzahl an Neuronen – auf Duftstoffe und Gruppen von Düften. Das ermöglicht es uns, sicherzustellen, dass wir für jeden beliebigen, von uns gewählten Geruch den gesamten Raum der olfaktorischen Rezeptoren betrachten. Es gibt also mindestens einen oder einige wenige Rezeptoren, die auf diesem Array vertreten sind.Und auf diese Weise wissen wir, dass wir Fragen stellen können, wie zum Beispiel, wie viele der Zellen, die Banane riechen, gleichzeitig auch Zitrone riechen. Diese Mikrofluid- und Mikro-Musterungstechniken sind eigentlich recht einfach, und meiner Ansicht nach liegt der Grund dafür, dass sie in der Zellbiologie bisher nicht weiter verbreitet sind, in einem kulturellen Unterschied zwischen Ingenieuren und Biologen. Biologen sind gewöhnlich etwas zurückhaltend, wenn nicht sogar allergisch gegenüber neuer Technologie, während Ingenieure normalerweise nicht sehr versiert in Zellbiologie oder Biologie im Allgemeinen sind.Und was wir, wie ich glaube, in naher Zukunft sehen werden, ist, dass Biologen selbst nicht mehr an die Tür eines Menschen wie mich klopfen müssen. Sie werden in der Lage sein, ein einfaches Gerät zu entwerfen, den Entwurf zu einer Gießerei wie einer Alu-Gießerei zu bringen und innerhalb eines Tages oder zweier Tage das Gerät per FedEx zurückerhalten, sodass es für sie sehr einfach sein wird, das Experiment selbst durchzuführen.

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Forschung

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Biologie

Mit Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) zu Diagnose-Tools entwickeln

Micro-Maßstab Engineering for Cell Biology

BioMEMS: Schmieden Neue Kooperationen zwischen Biologen und Ingenieuren

Gut charakterisierte genetische Teile sind für das Design neuartiger genetischer Schaltkreise notwendig. Hier beschreiben wir eine kostengünstige Hochdurchsatzmethode zur schnellen Charakterisierung genetischer Teile. Unsere Methode reduziert Kosten und Zeit durch die Kombination von zellfreien Lysaten, linearer DNA zur Vermeidung von Klonen und akustischem Flüssigkeitshandling, um den Durchsatz zu erhöhen und das Reaktionsvolumen zu reduzieren.

Schnelle Charakterisierung genetischer Teile mit zellfreien Systemen

Das vorliegende Protokoll beschreibt das Design, die Herstellung und die Charakterisierung eines mikrofluidischen Systems, das in der Lage ist, Hunderte von Drosophila melanogaster-Embryonen mit minimalem Benutzereingriff auszurichten, zu immobilisieren und präzise zu komprimieren. Dieses System ermöglicht hochauflösende Bildgebung und Rückgewinnung von Proben für die Analyse nach der Stimulation und kann skaliert werden, um andere mehrzellige biologische Systeme aufzunehmen.

Mechanostimulation mehrzelliger Organismen durch ein mikrofluidisches Kompressionssystem mit hohem Durchsatz

Die Lipidvielfalt der Membran in Struktur und Zusammensetzung ist ein wichtiger Faktor für zelluläre Prozesse und kann ein Marker für Krankheiten sein. Molekulardynamik-Simulationen ermöglichen es uns, Membranen und ihre Wechselwirkungen mit Biomolekülen mit atomistischer Auflösung zu untersuchen. Hier stellen wir ein Protokoll zur Verfügung, um komplexe Membransysteme zu bauen, zu betreiben und zu analysieren.

Realistische Membranmodellierung anhand komplexer Lipidmischungen in Simulationsstudien

Der Erfolg von Einzelzell-/Einzelkern-Transkriptomik und Multi-Omics hängt weitgehend von der Qualität der Zellen/Zellkerne ab. Daher muss die Isolierung von Zellen/Zellkernen aus Gewebe und deren Aufreinigung hochgradig standardisiert sein. Dieses Protokoll beschreibt die Präparation von Zellkernen aus Gehirn und Knochenmark für den nachgeschalteten Einzelkern-Multiom-Assay.

Hochwertige Präparation von Hirn- und Knochenmarkkernen für Einzelkern-Multiom-Assays

Biologie mikrobieller Gemeinschaften - Interview

Perspectives on Neuroscience

Dieses Video zeigt, wie eine programmierbare Abzieher verwenden, um Patch-Pipetten und scharfen Elektroden für die Elektrophysiologie zu machen. Das gleiche Verfahren kann verwendet werden, um eine Vielzahl von Glas-Tools, einschließlich Injektionsnadeln zu machen.

Machen Patch-Pipetten und Sharp Elektroden mit einem programmierbaren Puller

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BioMEMS and Cellular Biology: Perspektiven und Anwendungen

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