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

Ich bin U De Mercy, ich bin der leitende Forscher von Bio Stick MAMs in medizinischen Labors. Ich habe an der Stanford University in Elektrotechnik promoviert. Ich habe einen Postdoc an der Harvard Medical School am MGH gemacht, wo ich an bioakustischen MAMs oder hauptsächlich Bio-MAs gearbeitet habe.

Und jetzt mache ich als Dozent an der Harvard Medical School am Harvard MIT Health Sciences and Technology weiter. Und meine Forschung fortzusetzen, die mir sehr viel Spaß macht. Die Arbeit, die ich während meiner Doktorarbeit geleistet habe, befasste sich sehr stark mit Tröpfchen und der Verwendung von Akustik, um Tröpfchen in präziser Größe zu erzeugen und ihre Position und Position zu kontrollieren, um sehr empfindliche Polymere abzuscheiden.

Jetzt wenden wir ähnliche Technologien an, um Zellen in Tröpfchen einzukapseln und sie dann auf den Oberflächen für verschiedene Anwendungen im Tissue Engineering zu positionieren, um Zellen auf die Oberflächen zu drucken und Zellen zu strukturieren. Es gibt auch Anwendungen, bei denen man sehen möchte, dass man einige Zellen oder eine einzelne Zelle oder aus derselben Population einkapseln kann, und um die Unterschiede zwischen der gleichen Population von einer Zelle zur anderen zu sehen, wird es sehr wichtig und sehr nützlich, Zellen in Tröpfchen mit hohen Durchsatzraten wie 10.000 Zellen pro Sekunde einzukapseln, um biologische Probleme zu verstehen. Meine Forschung hat also derzeit zwei Beine, würde ich sagen.

Eine davon ist diese Arbeit zur Zellverkapselung, über die ich gerade gesprochen habe. Wie packen wir eine Zelle in ein Tröpfchen, und wie können wir dies wiederholt und zuverlässig tun, ohne die Zellen zu schädigen? Nachdem die Zelle ausgestoßen oder in das Tröpfchen eingekapselt wurde, sollten wir in der Lage sein, die Zelle genau auf einer Oberfläche zu lokalisieren, die funktionsfähig und lebendig und lebensfähig sein sollte.

Es sollte nicht durch die Auswirkungen von Schleudern und so weiter geschädigt werden. Derzeit haben wir ein System, bei dem wir akustische, tropfenfokussierte Wellen verwenden, um diese Tröpfchen aus offenen Pools zu erzeugen, wo wir uns in diesen wirklich kleinen Tröpfchen, die mit der Zellgröße vergleichbar sind, zu einzelnen Zellen verkapseln können. Das ist sehr spannend im Hinblick auf die Anwendung auf den Zelldruck und das Tissue Engineering.

Die andere Seite meiner Forschung besteht wiederum darin, diese mikroelektromechanischen Systemtechnologien von MAM zu nutzen, um kostengünstige Diagnosewerkzeuge zu entwickeln. Meistens verwendet diese Forschung mikrofluidische Ansätze, bei denen wir Vollblut einführen können, sehr kleine Volumina wie Blut aus einem Stich in den Finger, weniger als 10 Mikroliter, die man einem Chip zuführen kann. Und aus diesem Blut können wir bestimmte subzelluläre Populationen aus Vollblut einkapseln oder man kann sie einfangen.

Warum ist das wichtig? Warum sollte das für globale Gesundheitsanwendungen billig sein? Auf dem Gipfel des Berges in Afrika möchte man zum Beispiel für einen HIV-Patienten sagen können, wie viele Zöliakie-Vier-T-Lymphozyten dieser Patient hat. Da die Weltgesundheitsorganisation sagt, dass unter 200 Zöliakie vier Zellen pro Mikroliter mit der Behandlung der Patienten beginnen müssen. In den Industrieländern verwenden Sie Hunderttausende von Dollar an Vert-Durchflusszytometern, um diese Daten zu erhalten.

Und es braucht natürlich Zeit, um sie zu benutzen, und Geschicklichkeit, um diese wie riesige Tischmaschinen bedienen zu können. Unser kleiner Chip kann eingeführt werden, dieser kleine Finger Ziegel 10 Mikroliter Vollblut und er wird die Zöliakie, vier Zellen, mit Hilfe der Oberflächenprotein-Affinitäten einfangen. Und dann kann man diese Zellen, die eingefangen werden, schnell zählen, weil man weiß, dass es Zöliakie, vier Zellen, gibt, die an Zölia, vier Proteine, Antikörper auf der Oberfläche des Chips gebunden sind.

Durch die Kontrolle der Flussraten und der Scherung können Sie sicherstellen, dass die Spezifität und Effizienz für diese Zelltypen optimiert werden. Und natürlich gibt es immer unspezifische Bindungen, aber durch unsere reinen Ansätze minimieren wir diese Effekte und stellen sicher, dass zwischen plus minus 10% Fehler liegen, was ausreicht, um eine diagnostische oder prognostische Entscheidung über den Gipfel des Berges in Afrika zu treffen. Dies hat also interessante Anwendungen für die globale Gesundheit, und diese kostengünstigen Techniken, die wegwerfbar sind, können sich auf die Industrieländer auswirken, denn jetzt können diese schnellen Bluttests, die wirklich kostengünstig sind, die Tests beeinflussen, die wir in der entwickelten Welt verwenden.

Wenn sie auf ein höheres Maß an Effizienz und Spezifität optimiert werden, was unsere ersten Daten zeigen, dann wird sich das definitiv auf unser Leben auswirken. Als ich zum ersten Mal meine Doktorarbeit abschloss, wusste ich mehr über Mikrofluidik und dass ich bei MAMs mehr als alles andere sehen konnte, insbesondere bei der Tröpfchenanwendung, dass ich sehen konnte, dass wenn ich Zellen drucken und Zellen verkapseln oder die wenigen Zellen, einzelne Zellen, manipulieren könnte, dies großartige Anwendungen im Bereich der Biotechnologie haben würde. Und ich war sehr daran interessiert, an Dingen zu arbeiten, die das Leben der Menschen tatsächlich beeinflussen werden.

Früher habe ich diese Technologien in der Halbleiterindustrie angewendet, aber dann wollte ich den Menschen direkt nützlich sein. Das hat mich also zu Problemen im Gesundheitswesen geführt. Und deshalb habe ich eine große Veränderung vollzogen und bin in ein Krankenhaus gekommen, ein allgemeines Massenkrankenhaus für den Postdoc.

Und dort, wissen Sie, wurde ich immer mehr mit Problemen konfrontiert, und es scheint, und es ist alles klar, dass eines der größten Probleme der Welt heute die globale Gesundheit ist, und es kommen Krankheiten wie Tuberkulose, HIV, die jeden Tag Tausende von Menschen töten. Und diese Menschen sterben nicht, weil die Medikamente nicht da sind, sondern weil es nicht genügend diagnostische Instrumente gibt, die viel teurer sind als die vorhandenen Medikamente. Ich kenne also die technologische Seite der Dinge sehr gut.

Ich wurde mit den biologischen Problemen konfrontiert und je mehr ich über sie lernte, desto mehr konnte ich sehen, dass ich etwas bewirken konnte. Und so wuchs alles von da an. Und es geht jetzt immer noch weiter.

Wie ich die Biotechnologie und die Medizin gesehen habe, gibt es so viele Probleme, die tatsächlich direkt dazu führen, dass wir Menschenleben verlieren, und die Technologien, der technologische Aspekt davon und die Möglichkeit, ihn auf reale medizinische Probleme anzuwenden, ist ein großartiger, denke ich, Weg, dem man folgen kann. Das ist die Art und Weise, wie dieser gesamte Biotechnologie-Bereich meiner Meinung nach wächst und sehr wirkungsvoll wird. Wenn man darüber nachdenkt, HIV-Krebs, das sind die großen Todesursachen in der Welt.

Und die derzeitigen Mikrotechnologien, die derzeitigen Ansätze könnten vielleicht von der Früherkennung von Krebs profitieren, indem sie diese Zellen aus dem Blut einfangen oder es wirklich billig machen, wodurch es für die Massen verfügbar wird. Wenn all diese Dinge zusammenkommen, denke ich, dass diese ganzen mikrotechnologischen Anwendungen im Gesundheitswesen in der Medizin die Zukunft des Menschen beeinflussen könnten. So kommen all diese Dinge zusammen, denke ich.

Und da man am Harvard MIT für Gesundheitswissenschaften und -technologie tätig ist, wo man auf der einen Seite die Technologie hat und auf der anderen Seite einen direkten Aspekt, direkten Zugang zu Patienten, direkten Zugang zu Ärzten im Brigham and Women's Hospital, wo ich arbeite, ist das ein großartiges Umfeld. Denn jede Person, mit der man spricht, hat ihre Probleme und man könnte es vielleicht aus einem anderen Hintergrund haben. interessante Lösungen für diese bestehenden Probleme in der realen Welt anzubieten. Ich denke, so sehe ich die gesamte Perspektive, wie diese medizinischen Probleme auf die technologische Seite treffen.

Und wir versuchen, das Leben der Menschen positiv zu beeinflussen. Bei der Einzelzell-Cap-Verkapselung oder bei der Zellverkapselung besteht die große Herausforderung darin, einzelne Zellen zuverlässig und wiederholbar verkapseln zu können. Sie werfen also 10.000 hunderttausend Zellen pro Sekunde aus.

Und wie stellen Sie sicher, dass jedes Tröpfchen, das Sie ausstoßen, eine einzelne Zelle hat? Diese Statistik, in der Sie die Tröpfchengröße ändern und minimieren, die Zellengröße gegenüber der Tröpfchengröße optimieren, was in das alte Problem des Verpackens von Kugeln in einem Volumen eingeht und was der effizienteste Weg ist, dies zu tun. Das ist also die größte Herausforderung im Bereich des Zelldrucks aus technologischer Sicht.

Der andere Aspekt davon ist, dass Sie jetzt drucken und diese Zellen genau lokalisieren können. Wie kann man diese dreidimensionalen Gewebe erzeugen und wie kann man sie am Leben erhalten und wie kann man sie transplantieren? Da kommt das biologische Ende der Probleme, wo man nun das Gewebe genau nachahmen möchte.

Wir haben aktuelle Ansätze, um eine Öse, eine Bauchspeicheldrüsenöse, drucken zu können, und wir können mit glatten Muskelzellen, einem Blasengewebe, drucken, das direkt nachahmt, was in der menschlichen oder roten Blase enthalten ist, so dass wir dann dieses Gewebe herstellen und testen können, wie gut es im Vergleich zu den real existierenden nativen Geweben funktioniert. Das ist die größte Herausforderung, denke ich, wenn man diese neuartigen Technologien nimmt, wie kann man das ideale Gewebe herstellen, das ersetzt werden kann, das transplantiert werden kann, das ist von Anfang an das größte Problem, denn die Kontrolle über einzelne Zellen gibt einem die Möglichkeit, sie genau zu lokalisieren. Und wie kann man es dann von dort aus weiter ausbauen?

Es ist also etwas, das dort verpflanzt werden kann, wo die Auswirkungen des menschlichen Lebens kommen. Das ist also die Herausforderung bei der Gewebezüchtung bei der südlichen Verkapselung und bei der Diagnostik mit Mikrofluidik, die Herausforderung besteht darin, eine Zelle aus Milliarden von Zellen einfangen zu können. Es ist, als hätte man ein Zuckerteilchen in einer Salzdose und man versucht, dieses Zuckerteilchen herauszuziehen, und das ist wie eins zu einer Milliarde.

Sie verarbeiten also Mikroliter bis Milliliter Vollblut und Sie möchten in der Lage sein, spezifisch und effizient zu arbeiten, ohne technologische Probleme wie Verstopfungen oder biologische Probleme wie unspezifische Bindung, Sie möchten in der Lage sein, eine Zelle von Milliarden Zellen in einem Mikroliter Vollblut zu isolieren, Sie haben ein paar Millionen Zellen. Und für den Fall von Zöliakie mit vier T-Lymphozyten in diesem einen Mikroliter sind wir auf der Suche nach etwa tausend Zellen pro Mikroliter. Es ist also wie eine Zelle unter tausend Problemen, bei denen wir gezeigt haben, dass es machbar ist.

Aber wenn man zirkulierende Tumorzellen auf Krebs untersuchen will, dann wird die Herausforderung zu einer von einer Milliarde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Herausforderung darin besteht, wie wir diese eine Zelle von Milliarden anderer Zellen um sie herum einfangen können. Und was sind die technologischen Aspekte?

Wie hoch sind die Durchflussmengen? Wie ist das Gerätedesign aufgebaut? Was, wie hoch sind die Durchflussraten?

Was, wie groß sind die Blutmengen, die verarbeitet werden müssen, und wie stellen Sie sicher, dass die Zellen, die Sie erfassen, diejenigen sind, die Sie eigentlich einfangen wollten? All diese Aspekte bildeten die ganze Herausforderung, die in einem Satz zusammengefasst werden kann: Wie fängt man diese eine seltene Zelle von Milliarden anderen ein? Es ist also wirklich eine Art Nadel im Heuhaufen, was aufregend ist.

Und ich denke, dass dies die Technologien voranbringt, um diese Probleme anzugehen, ist die aktuelle technologische Herausforderung. In der Lage zu sein, sie auf ein Niveau zu bringen, auf dem sie die Arbeit erledigen, die sie machen sollen, ist eine Sache. Und wenn man es dann in die Klinik bringt und daraus ein Produkt macht, kommt man mit verschiedenen Fachkenntnissen zusammen, wie z.B. der Möglichkeit, ein Unternehmen zu gründen, diese Dinge patentieren zu können und all diese anderen Aspekte kommen ins Spiel.

Und ich denke, dass wir als Wissenschaftler in erster Linie nicht über all die Fähigkeiten verfügen, die die Produkte vom Desktop auf die Produkte bringen. Da kommt wieder ins Spiel, wie wichtig die Zusammenarbeit mit Menschen mit unterschiedlichen Hintergründen ist. Und es gibt viele Technologien, von denen ich denke, dass sie sehr wirkungsvoll und nützlich sein könnten.

Sie schaffen es manchmal nicht in die Klinik oder zum Nutzen der Menschheit, entweder weil es einfach nicht passiert ist, nicht der richtige Zeitpunkt war oder andere Effekte ins Bild kamen, von denen ich gerade gesprochen habe. Oder manchmal gibt es keinen direkten Zusammenhang, bei dem man nicht sehen konnte, dass die Technologie dieses Problem tatsächlich lösen könnte. Und die Person, die sich mit dem Problem befasst, oder sagen wir die Biologen oder Leute in der Medizin, sind es seit vielen Jahren gewohnt, es auf eine Weise zu machen.

Und die Leute auf der Technologieseite, meistens, wenn man keinen biotechnologischen Schwerpunkt hat, sind sich der Probleme in der Medizin nicht bewusst. Diese beiden Seiten zusammenzubringen, ist also eine ernsthafte interdisziplinäre Forschung. Und ich denke, in den letzten Jahren lag der Schwerpunkt sowohl auf der NIH-Ebene als auch in den Forschungslabors und Universitäten darauf, interdisziplinäre Forschung zu generieren.

So bekommen die Leute am Ende Doktortitel, bei denen sie mehrere Bereiche kennen müssen. Für meine Doktorarbeit musste ich mich zum Beispiel mit Akustik auskennen, ich musste mich mit Mems auskennen, ich musste mich mit Mikrofluidik auskennen und ich musste dies auf Polymere anwenden. Jetzt sieht man also eine sehr tiefe Kenntnis in einem Bereich, während man eigentlich drei andere Bereiche ziemlich gut kennen musste, um dieses Problem lösen zu können.

Ich denke also, die Antwort liegt in interdisziplinärer Forschung in Kombination mit Menschen mit unternehmerischen Fähigkeiten, um sie den Menschen zur Verfügung zu stellen, es ist ein ganz großer Prozess und einige Ineffizienzen, die an bestimmten Standorten auftreten. Verursachen Sie diesen geringen Prozentsatz des Technologietransfers.