BioMEMS: Schmieden Neue Kooperationen zwischen Biologen und Ingenieuren
1. November 2007
Mein Name ist Newly John und ich arbeite am Department für Biomedizinische Technik der University of California Irvine. Meine Forschung befasst sich mit der Entwicklung neuartiger biomedizinischer Geräte und mikrofluidischer Systeme für die Neurowissenschaft und die Stammzellenforschung. Bio-MEMS und Mikrofluidik sind eine vergleichsweise junge Disziplin, die sich in den letzten etwa fünf bis zehn Jahren entwickelt hat und dabei viele Techniken sowie Fachkenntnisse nutzt, die ursprünglich für die Halbleiterindustrie entwickelt wurden.
Was wir also tun, ist, die Miniaturisierungsmethoden und -ansätze, die für integrierte Schaltungen entwickelt wurden, zu nutzen, um kleine Vorrichtungen mit engen Kanälen und Reservoiren herzustellen und diese für Anwendungen in der Zellbiologie einzusetzen. Traditionell wurden die meisten biologischen Experimente im Maßstab einer Petrischale durchgeführt. Für die Zellen bedeutet dies, dass, wenn man eine Zelle betrachtet, die etwa 10 µm Durchmesser aufweist, im Grunde eine kleine Zelle in einem großen Flüssigkeitsvolumen vorliegt.
Mithilfe von mikrofluidischen Vorrichtungen können wir die Umgebung um die Zelle herum kontrollieren. Die Zell-Zell-Kommunikation sowie der Einfluss löslicher Faktoren auf die Zelle lassen sich viel präziser steuern, als dies möglich ist, wenn das Experiment lediglich im größeren Maßstab in einer Petrischale durchgeführt wird. Diese neuen Entwicklungen in der Mikrofluidik versprechen daher eine deutlich bessere Kontrolle und Reproduzierbarkeit im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.
Unsere Forschung zur Verwendung mikrofluidischer Vorrichtungen für die Untersuchung der Zellmigration beinhaltet die Entwicklung neuer Geräte, die einen stabilen Gradienten löslicher Faktoren über den Zellen aufrechterhalten können, sodass wir untersuchen können, wie die Zellen auf verschiedene Wachstumsfaktoren oder Chemokine reagieren. Dies erfordert eine präzise Steuerung des Fluidflusses über eine Gruppe von Zellen oder einzelne Zellen, was bei den meisten biologischen Prozessen wie der Morphogenese, der Krebsmetastasierung und der Immunzellantwort sehr wichtig und grundlegend ist. Ähnlich wie jene mikrofluidischen Vorrichtungen zur Erzeugung von Gradienten stellen die Vorrichtungen zur Kultivierung von Neuronen und insbesondere von com-Neuronen eine neue Entwicklung in der Mikrofluidik dar.
Mit diesen Geräten können wir axonale Fraktionen isolieren und reinigen sowie zudem stark polarisierte Strukturen erhalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Assays wie Void- und Kammer-Systemen, bei denen es sehr, manchmal sogar schwierig war, Leckagen und andere experimentelle Probleme zu vermeiden, bieten mikrofluidische Geräte insgesamt reproduzierbarere Ergebnisse und gleichzeitig eine optisch kompatible Plattform, auf der wir hochauflösende Mikroskopie durchführen können.
Und dieses Gerät wird verwendet, um Experimente durchzuführen, bei denen untersucht wird, wie der axonale Transport abläuft. Mithilfe dieser neuen mikrofluidischen Neuronenkulturvorrichtung untersuchen viele unserer Kooperationspartner im ganzen Land verschiedene Modelle neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und ALS. Ich hatte das große Glück, hervorragende Kooperationspartner in der Neurowissenschafts- und Pathologieabteilung hier an der UC Irvine zu haben. Ich arbeite eng mit Car Kaman Stewart, Ed Monki und dem Labor von Lisa Flanagan zusammen.
Unsere Zusammenarbeit beinhaltet regelmäßige Treffen, um herauszufinden, vor welchen Problemen die Biologen stehen. In diesen regelmäßigen Besprechungen stellen wir fest, dass, obwohl herkömmliche Werkzeuge verfügbar sind, es noch viele Anwendungsbereiche gibt, in denen wir als biomedizinische Ingenieure eine bedeutende Rolle bei der Verbesserung und dem Verständnis dieser biomedizinischen Forschung spielen können. So war beispielsweise unsere Zusammenarbeit mit dem Labor von Dr. Monki und Dr. Flanagan in den letzten fünf Jahren sehr produktiv.
Zunächst können unsere Studierenden lernen, wie man eng mit Gruppen und verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen zusammenarbeitet. Gleichzeitig hatten wir das Glück, Probleme in der Stammzellbiologie angehen zu können. Beispielsweise eröffnete das Kultivieren und Differenzieren von Stammzellen in mikrofluidischen Vorrichtungen eine neue Perspektive darauf, wie sich Stammzellen in einem Morphogen-Gradienten wie BMP verhalten.
Und ich denke, dass diese Art der Zusammenarbeit ein wichtiger Bestandteil der zukünftigen Wissenschaft sein wird, da immer mehr Ingenieure sich für die biomedizinische Forschung interessieren. Gleichzeitig, da der Bedarf an neuen Werkzeugen mit neuen Fähigkeiten aus der Neurowissenschaft und anderen Bereichen der Biosciences wächst, erwarte ich, dass es viele fruchtbare Kooperationen geben wird, die die biomedizinische Forschung wirklich voranbringen werden. Außerdem glaube ich, dass der Bereich der Mikrofluidik und Biome in einer aufregenden Phase ist.
Es gibt täglich neue Anwendungen, die entwickelt werden. Ich erwarte, dass in fünf Jahren viel mehr Biologen diese Art von Geräten für die tägliche Forschung, für Routineexperimente, für Zellmigration oder andere spezielle Zwecke nutzen werden. Da diese Geräte zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen auf Petrischalen basierenden Kultivierungsmethoden bieten, ist meiner Meinung nach der Vorstellungskraft bei der Entwicklung neuer Anwendungstypen keine Grenze gesetzt.
Und ich glaube, dass eine enge Zusammenarbeit mit Biologen zu neuen Gerätetypen führen wird, die eine bedeutende Rolle bei der zukünftigen Weiterentwicklung der biomedizinischen Forschung spielen werden.
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Übersicht
Der neu hinzugekommene John von der University of California Irvine erläutert seine Forschung zur Entwicklung neuartiger biomedizinischer und mikrofluidischer Geräte für die Neurowissenschaft und die Stammzellenforschung. Dieses aufstrebende Fachgebiet nutzt Techniken aus der integrierten Schaltkreisindustrie, um miniaturisierte Vorrichtungen für Anwendungen in der Zellbiologie zu schaffen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Biomedizinische Technik
- Neurowissenschaften
- Mikrofluidik
Hintergrund
- Die Mikrofluidik ist eine junge Disziplin, die sich im vergangenen Jahrzehnt entwickelt hat.
- Sie nutzt Methoden aus der Halbleiterindustrie.
- Traditionelle biologische Experimente verwenden typischerweise größere Maßstäbe, wie zum Beispiel Petrischalen.
- Zellen werden oft in großen Flüssigkeitsmengen eingetaucht, was die experimentelle Präzision beeinträchtigen kann.
Zweck der Studie
- Kleine Vorrichtungen mit Kanälen und Reservoiren für Anwendungen in der Zellbiologie zu entwickeln.
- Die Präzision von Experimenten mit kleinen Zellen zu verbessern.
- Das Potenzial der Miniaturisierung in der biomedizinischen Forschung zu untersuchen.
Verwendete Methoden
- Entwicklung neuartiger biomedizinischer Geräte.
- Anwendung mikrofluidischer Techniken.
- Nutzung von Miniaturisierungsmethoden aus der integrierten Schaltungstechnik.
- Experimenteller Ansatz mit Fokus auf biologische Anwendungen im Mikromaßstab.
Hauptergebnisse
- Herstellung von Vorrichtungen, die kleine Flüssigkeitsmengen manipulieren können.
- Verbesserte Fähigkeit, Experimente im Mikromaßstab durchzuführen.
- Potenzial für verbesserte Ergebnisse in der Neurowissenschaft und Stammzellforschung.
- Aufzeigen der Vorteile miniaturisierter experimenteller Aufbauten.
Schlussfolgerungen
- Mikrofluidische Vorrichtungen stellen einen bedeutenden Fortschritt in der biologischen Forschung dar.
- Durch Miniaturisierung können präzisere und besser kontrollierte Experimente ermöglicht werden.
- Weitere Entwicklungen in diesem Bereich könnten die Neurowissenschaften und Anwendungen mit Stammzellen revolutionieren.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Mikrofluidische Geräte ermöglichen eine präzise Steuerung zellulärer Mikroumgebungen und lösen damit eine zentrale Herausforderung in der Neurowissenschaft und Stammzellforschung, bei der herkömmliche Petrischalenmodelle an räumlicher und zeitlicher Auflösung scheitern. Diese Technologie unterstützt die mechanistische Risikominimierung, indem sie eine fluiddichte Trennung von axonalen und somatischen Kompartimenten erlaubt, gezielte Schädigungsstudien ermöglicht und die Gewinnung reiner Fraktionen für nachgeschaltete Analysen erleichtert. Die Plattform erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Target-Validierung und Assay-Entwicklung, indem sie die Reproduzierbarkeit verbessert und hochauflösende Live-Cell-Bildgebung ermöglicht.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen durch fluiddichte Trennung neuronaler Kompartimente, um kompartimentenspezifische Reaktionen auf lösliche Noxen zu untersuchen.
- Operativer Wert: Unterstützt die funktionelle Zielstrukturvalidierung, indem polarisierte neuronale Strukturen bis zu 2–3 Wochen lang erhalten bleiben, was eine longitudinale Beurteilung des axonalen Transports und der Degeneration ermöglicht.
- Prädiktiver Wert: Erhöht die Zuverlässigkeit von Target-Engagement-Studien, indem die experimentelle Variabilität durch präzise Kontrolle des Mikromilieus und reproduzierbare fluiddynamische Gradienten verringert wird.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Bietet eine standardisierte Plattform zur Herstellung validierter biologischer Systeme mit fluidischer Trennung und ermöglicht zuverlässige Wirkstofftests in getrennten axonalen oder somatischen Kompartimenten.
- Operativer Wert: Verbessert die Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit von Assays durch präzisionsgeformte Polymerbauteile und Kompatibilität mit DIC, Phasenkontrast, konfokaler und Zweiphotonen-Mikroskopie.
- Plattformnutzen: Ermöglicht biochemische Analysen nachgelagerter Stufen, wie beispielsweise die PCR an reinen axonalen Fraktionen, und erhöht so die Eignung für das Screening zur Identifizierung von Zielstrukturen und Signalwegen.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationale Relevanz: Modelliert ZNS-Verletzungen und Neurodegeneration, indem toxische Substanzen oder Aggregate gezielt über bis zu 20 Stunden nach Mediumwechsel in axonalen Kompartimenten appliziert werden können.
- Präklinische Kontinuität: Verbindet Entdeckung und präklinische Validierung, indem langzeitliche Kulturen und Endpunkt-Immunzytochemie ermöglicht werden, um strukturelle und funktionelle Ergebnisse zu bewerten.
- Risikoadjustierte Weiterentwicklung: Unterstützt Go/No-Go-Entscheidungen, indem quantitative, kompartiment-spezifische Messgrößen bereitgestellt werden, die mechanistische Unschärfen in Zielwegen verringern.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die mikrofluidische Neuronenkulturplattform ist in den Entdeckungsprozess von der Hypothesenprüfung über die Identifizierung von Wirkstoffkandidaten bis hin zur präklinischen Validierung integriert und unterstützt iterative Design-Test-Zyklen bei der Entwicklung von Neurotherapeutika.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung, indem präzise räumliche und zeitliche Kontrolle über Gradienten löslicher Faktoren ermöglicht wird, um Chemotaxis, Morphogenese und Immunzellantworten in einem reduktionistischen Format zu untersuchen.
- Screening: Bietet Bereitschaft für Assays durch optisch kompatible, fluidisch getrennte Kammern, die parallele Evaluierung von Substanzen ohne Kreuzkontamination ermöglichen.
- Analytik: Erzeugt quantitative abhängige Variablenmessungen wie axonale Fluoreszenzintensität, Transportgeschwindigkeit und molekulare Profile basierend auf PCR aus gereinigten Fraktionen.
- Translationale Forschung: Bindet an präklinische Arbeitsabläufe an, indem Mechanismen zentralnervöser Pathologien modelliert werden, wie axonale Degeneration und Transportdefizite, die für Alzheimer- und Parkinson-Krankheit relevant sind.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Funktioniert als wiederverwendbare Plattform über verschiedene Projekte hinweg, da sie an verschiedene neuronale Zelltypen, Stammzellerive und Assays für lösliche Faktoren angepasst werden kann.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Target-Validierung, indem biologisches Rauschen reduziert und eine mechanistische Entschärfung durch kompartimentenspezifische Störungen ermöglicht wird.
- Operationaler Wert: Bietet Standardisierung und Reproduzierbarkeit durch präzises Formen und Fluidkontrolle und minimiert so die Variabilität zwischen Wells und Experimenten.
- Strategischer Wert: Verbessert die Kapitalnutzungseffizienz, indem Falsch-Positiv-Ergebnisse bei der frühen Bildschirmung reduziert und die Ausscheidung in späteren Stadien aufgrund einer besseren biologischen Treue verringert wird.
- Portfolio-Wirkung: Ermöglicht eine risikoadjustierte Priorisierung von neurotherapeutischen Kandidaten durch kompartimentaufgelöste Wirksamkeits- und Toxizitätsprofilerstellung.
Umsetzungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Mikrofluidik-Entwicklung, neuronale Kultur und Live-Cell-Bildgebung, um die Herstellung der Vorrichtung und den experimentellen Aufbau zu optimieren.
- Hängt von dem Zugang zu Mikrofluidik-Herstellungsgeräten, Druckregelungssystemen für die hydrostatische Isolation und kompatiblen Mikroskopieplattformen ab.
- Erfordert eine standardisierte Vorgehensweise zwischen Ingenieur- und Biologieteams, um einen einheitlichen Betrieb der Vorrichtung und eine konsistente Dateninterpretation sicherzustellen.
- Beinhaltet Anpassungen, wenn die Anwendung über zentrale Nervensystem-Neuronen hinaus auf andere Zelltypen, wie Stammzellen oder Immunzellen, ausgeweitet wird, aufgrund unterschiedlicher Adhäsions- und Migrationsverhalten.
- Eingeschränkt durch die Notwendigkeit aseptischer Techniken und Protokolle zum Mediumwechsel, um die fluidische Isolation über längere Kulturzeiträume (2–3 Wochen) aufrechtzuerhalten.
