Name: BioMEMS y Biología Celular: Perspectivas y Aplicaciones (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: Explora sistemas BioMEMS y microfluídica para mejorar cultivos celulares en neurociencia. Estas tecnologías permiten simular entornos heterogéneos más realistas que los métodos tradicionales in vitro.

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biomems y biología celular: perspectivas y aplicaciones

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

La capacidad de las células de cultivo ha revolucionado la comprobación de hipótesis en la célula básica y la investigación en biología molecular. Se ha convertido en una metodología estándar en la detección de drogas, la toxicología y ensayos clínicos, y es cada vez más utilizado en la medicina regenerativa. Sin embargo, la metodología de cultivo celular tradicional que consiste esencialmente en la inmersión de una gran población de células en un medio líquido homogéneo y en un sustrato plano homogéneo se ha convertido cada vez más limitantes, tanto desde una perspectiva fundamental y práctico. Tecnologías de microfabricación han permitido a los investigadores a diseñar, con el control de un micrómetro, la composición bioquímica y la topología del sustrato y la composición del medio, así como el tipo de células vecinas en el microambiente celular circundante. Además, la microtecnología es conceptualmente muy adecuado para el desarrollo de rápido, de bajo costo en sistemas in vitro que permiten a los de alto rendimiento para el cultivo y el análisis de las células en un gran número de condiciones. En esta entrevista, Albert Folch explica estas limitaciones, ¿cómo se pueden superar con la litografía blanda y la microfluídica, y se describen algunos ejemplos relevantes de la investigación en su laboratorio y las direcciones futuras.

BioMEMS y Biología Celular: Perspectivas y Aplicaciones

La capacidad de cultivar células ha revolucionado el contraste de hipótesis en la investigación básica de biología celular y molecular. Se ha convertido en una metodología estándar en...

Soy Albert Falk. Soy profesor en la Universidad de Washington en Seattle, y trabajo en el amplio campo de los biomas, que significa sistemas microelectromecánicos biomédicos. Trabajamos en microfluídica y nos centramos en aplicaciones en biología celular, principalmente en neurociencia.Uno de los enfoques del laboratorio consiste en intentar superar las limitaciones de la tecnología tradicional de cultivo celular. Si observa la forma en que los biólogos celulares estudian las células in vitro, en una placa de Petri, notará inmediatamente que las células están sumergidas en un medio de cultivo celular homogéneo y también se encuentran sobre una superficie que es homogénea. Sin embargo, en el cuerpo las células no se sitúan sobre una superficie homogénea.No están sumergidas en un medio homogéneo. En realidad, están expuestas a una variedad de señales que cambian en el espacio y en el tiempo, a menudo en forma de gradientes, y están rodeadas por una matriz de tipo gel. También existen algunas limitaciones prácticas al estudiar células en una placa de Petri: se necesita un incubador, que es un equipo grande y costoso.Normalmente, los biólogos desean estudiar un conjunto de condiciones diferentes. Desean analizar células en, digamos, un cultivo celular A y un cultivo celular B. Existe una gran variabilidad en la forma en que las células responden a estos compuestos. Por lo general, los biólogos colocan las células en diferentes placas de Petri, quizás lo realizan por triplicado, y luego estudian una serie de condiciones, por lo que terminan utilizando una gran cantidad de cultivo celular, medio, muchos insumos, muchas placas, y eso requiere mucho espacio.Así que estamos tratando de miniaturizarlo, y esa es una faceta del proceso. Además, el intercambio de este medio y la colocación de las células, así como el cambio del medio de cultivo celular, requieren una gran cantidad de pipeteo. Esto es muy costoso en términos de la cantidad de tiempo y personal que implica, y también en cuanto a la cantidad de fluidos que deben introducirse y extraerse de la placa de Petri.Otra limitación es que, para cubrir todas las superficies con células, se debe utilizar un gran número de células, lo que a menudo requiere sacrificar una gran cantidad de animales. Además, puede resultar costoso simplemente por la mera magnitud de los números. Por tanto, la conclusión es que las técnicas tradicionales terminan siendo muy costosas económicamente.Son muy costosos, tanto en términos de tiempo como de personal necesario para utilizarlos y llevar a cabo cualquier experimento, y también en cuanto a los rendimientos en la práctica, lo que hace que los biólogos terminen reduciendo el número de superficies o condiciones que se estudian. Por lo tanto, se obtienen datos estadísticamente muy débiles. Las conclusiones en un estudio biológico típico son muy cualitativas según los estándares de la ingeniería, por lo que al final todos estos estudios no son escalables.Entonces, y eso se está convirtiendo ahora en un gran problema con la era del genoma, donde las personas desean estudiar un gran número de condiciones, muchas variables, y descubrir nuevas variables, nuevos fenómenos celulares que solo pueden revelarse mediante el estudio de un gran número de células y condiciones. Por lo tanto, las técnicas de microfabricación nos ofrecen varias ventajas que aprovechamos por diferentes razones. Existen ventajas, en primer lugar, desde un punto de vista fundamental, de la misma manera que en microelectrónica los transistores funcionan mejor porque son más pequeños.Aquí también tenemos, construimos dispositivos que acceden a escalas del orden del objeto que se estudia, que son las células. La tecnología de microfabricación puede superar estas limitaciones, no de una sola manera, sino de muchas formas a la vez. Permite analizar células individuales en números muy grandes.De ese modo, se obtienen inmediatamente conclusiones muy cuantitativas. Además, permite realizar experimentos económicos. Asimismo, estos sistemas son muy baratos de fabricar, en el sentido de que se pueden hacer muchos dispositivos por el precio de uno.Además, son económicos de operar porque son sencillos y muy adecuados para la automatización. Entonces, estas ventajas del bajo costo de fabricación y del bajo costo de operación dan lugar a implementaciones comerciales muy exitosas. Y finalmente, también, estos sistemas son muy adecuados para el diseño cuantitativo.Esto es muy importante porque de esta manera podemos modelar el comportamiento de, digamos, un dispositivo microfluídico o la fabricación de una superficie y saber exactamente cómo va a funcionar. Luego volvemos atrás, eso se realiza mediante modelado. Aún no vamos al laboratorio.Y luego, cuando todo funciona en teoría, vamos al laboratorio, lo implementamos y ahorramos mucho tiempo al hacerlo. Una de las principales tecnologías que utilizamos en nuestro laboratorio se llama litografía blanda, un conjunto de técnicas hermanas desarrolladas por George Whitesides en Harvard desde principios de los noventa. Estas técnicas se basan en la replicación y el moldeado de un material, un elastómero transparente denominado polidimetilsiloxano, o PDMS, que los biólogos conocen por su nombre comercial Sylgard 184, fabricado por Dow Corning.Y esencialmente, el caucho transparente es un dispositivo. Puede doblarse y, como dije, puede moldearse, y puede producirse repetidamente a partir de un mismo molde; lo costoso de fabricar es el molde. Pero el material, lo compramos a granel.Es, es, ya sabe, no es muy costoso. Además, es muy biocompatible. Es decir, incluso puede sembrar células sobre él, sobre él.Se utiliza en implantes. Y otra gran ventaja es que es transparente, lo cual es muy, muy importante para la microscopía biológica, que como usted sabe, es un método de análisis muy importante en los estudios biológicos. Y el procedimiento de moldeado, como puede ver en los videos del laboratorio, es muy sencillo y directo.Simplemente consiste en mezclar dos componentes. Y ya sabe, cualquiera puede hacerlo. Es como cocinar y meterlo en el horno.Incluso mi hijo, que tiene cuatro años, vino al laboratorio y en realidad fabricó caucho. Así que es realmente sencillo. La microfluídica es el estudio del comportamiento de los fluidos.En canales pequeños, como usted sabe, no se puede lanzar una piedra bajo el agua. Eso se debe a que las fuerzas de fricción entre la piedra y el agua son muy grandes en comparación con la fuerza que usted le imprime. Algo un poco similar ocurre en un canal pequeño donde, para la situación, se invierten las condiciones.El agua es el objeto que se mueve y las paredes que la rodean ejercen una gran fricción sobre ella debido a la alta relación superficie-volumen en los microcanales, donde las paredes tienen un efecto muy fuerte. Por lo tanto, estas fuerzas inerciales son muy pequeñas en comparación con las fuerzas viscosas y la fricción causada por las paredes. Debido a que las fuerzas viscosas dominan, nunca ocurre turbulencia en los microcanales; así, tenemos un régimen de flujo conocido como flujo laminar, ya que el fluido fluye en capas.Y aquí se muestra un ejemplo en el que diferentes corrientes no pueden mezclarse porque fluyen lado a lado. No hay turbulencia que acelere la mezcla, como ocurre cuando se agita una taza de café. Dado que las fuerzas viscosas dominan y es muy difícil generar turbulencia en el microcanal, esto significa que dos corrientes que se unen en un solo canal no se mezclarán, sino que solo se mezclarán muy lentamente por difusión.Ahora aprovechamos esta propiedad para exponer diferentes partes de una población celular o incluso una sola célula a diferentes fluidos. Y la razón por la que hacemos esto es porque así ocurre in vivo. Dentro del organismo, las células están expuestas a gradientes de sustancias y, muchas veces, de forma muy transitoria.Entonces, como conocemos exactamente el comportamiento de los fluidos, incluso podemos modelar la difusión de las diferentes sustancias en la corriente de fluido; conocemos la constante, la concentración a la que se expone la célula y qué porción de la célula está expuesta a cada concentración. Esto nos permite realizar estudios muy cuantitativos sobre la exposición de las células a una sustancia determinada. Como ejemplo de cómo se puede utilizar el flujo laminar para estudiar células, tenemos un proyecto en el laboratorio en el que estamos intentando hacer que una célula muscular piense que está siendo activada por una neurona.Entonces, durante el desarrollo, lo que ocurre es que el nervio en algún momento llega al músculo y segrega una sustancia llamada arin que participa en el nacimiento de la sinapsis. Así que lo que estamos haciendo es algo conceptualmente muy sencillo. Colocamos células musculares en un dispositivo y las exponemos a un flujo que contiene rin únicamente en la porción central del flujo.Esto nos permite fingir que el dispositivo es el nervio y que las células musculares dentro del dispositivo son el músculo real durante el desarrollo. Otro ejemplo en el que la microfluídica es muy potente es en el estudio de la orientación de los axones. Aquí, la idea consiste en aprovechar el hecho de que conocemos y podemos predecir con gran precisión cómo se difunde un fluido en volúmenes pequeños para generar gradientes de sustancias.Y durante el desarrollo, los gradientes son responsables, en parte, de la manera en que las células nerviosas encuentran sus objetivos. Así que intentamos reproducir eso dentro de una placa de Petri. Dentro de un microcanal, el sentido del olfato es un sistema sensorial fascinante.Las neuronas en la nariz, digamos de los ratones, tienen cada una la particularidad de expresar solo un tipo de receptor olfativo. Hay aproximadamente unos mil genes diferentes de receptores olfativos en los ratones. Cada receptor se une a una variedad de odorantes y cada odorante se une a varios receptores.Y creemos que la forma en que detectamos los olores es, de manera combinatoria, mediante la investigación tradicional de fracciones, difícil encontrar coincidencias entre un gran número de odorantes y un receptor determinado, o entre cualquier odorante y un gran número de receptores. Esto se debe a que es muy difícil exponer cualquier neurona o neurona sensorial específica a una variedad de odorantes, y viceversa, dado cualquier odorante, es muy difícil exponer a todos los neuronas en el epitelio olfativo. Por lo tanto, nuestro enfoque ha sido tomar el epitelio olfativo y dividirlo en células individuales disociadas, colocándolas en una matriz de microhendiduras, una célula por microhendidura, en un gran microarreglo.Bueno, y en un campo de visión típicamente tenemos decenas de miles de neuronas que registramos mediante imágenes de calcio, y analizamos los patrones de activación de estas neuronas, de esta gran cantidad de neuronas, frente a odorantes y grupos de olores. Y eso nos permite estar seguros de que, para cualquier odorante específico que elijamos, estamos observando todo el espacio de receptores olfativos. Es decir, sabemos que al menos uno o unos pocos receptores están representados en esa matriz.Y de esta manera sabemos que podemos hacer preguntas como, por ejemplo, cuántas de las células que huelen a plátano también huelen a limón. Estas técnicas de microfluídica y micropatronamiento son en realidad bastante sencillas, y la razón por la que no han sido adoptadas más ampliamente en biología celular, según creo, se debe a una diferencia cultural entre ingenieros y biólogos. Los biólogos suelen ser un poco reacios, cuando no alérgicos, a la nueva tecnología, y los ingenieros normalmente no tienen mucha destreza en biología celular ni en biología en general.Y lo que veremos, según creo, en un futuro próximo son biólogos que ellos mismos no necesitarán llamar a la puerta de alguien como yo. Ellos podrán diseñar un dispositivo sencillo y llevar el diseño a una fundición como alu foundry, y recibirán por FedEx el dispositivo en uno o dos días, lo que les resultará muy fácil de implementar en su experimento por sí mismos.

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Investigación

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