BioMEMS: La forja de nuevas colaboraciones entre biólogos e ingenieros
1 de noviembre de 2007
Mi nombre es Newly John y estoy en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad de California en Irvine. Mi investigación consiste en desarrollar dispositivos biomédicos novedosos y dispositivos microfluídicos para la investigación en neurociencia y células madre. La bioingeniería y la microfluídica son disciplinas relativamente jóvenes que se han desarrollado en los últimos cinco a diez años, y utilizan muchas de las técnicas y conocimientos especializados desarrollados para la industria de circuitos integrados.
Entonces, lo que estamos haciendo es utilizar los métodos y enfoques de miniaturización desarrollados para circuitos integrados con el fin de fabricar dispositivos pequeños con canales y depósitos diminutos, y emplearlos en aplicaciones de biología celular. Tradicionalmente, la mayoría de los experimentos biológicos se han realizado a escala de placa de Petri. Así que, para las células, al observar una célula, que tiene aproximadamente 10 micrones de diámetro, básicamente tenemos una célula pequeña inmersa en un gran volumen de líquido.
Mediante el uso de dispositivos microfluídicos, podemos controlar los entornos alrededor de la célula. La comunicación entre células, así como la influencia de los factores solubles celulares, se pueden estudiar con mucha mayor precisión que al realizar el experimento a mayor escala en una placa de Petri. Por lo tanto, estos nuevos avances en la microfluídica ofrecen una gran promesa en cuanto al control y la reproducibilidad frente a los métodos convencionales.
Nuestra investigación sobre el uso de dispositivos microfluídicos para el estudio de la migración celular consiste en desarrollar nuevos dispositivos que puedan mantener un gradiente constante de factores solubles sobre las células, de modo que podamos estudiar cómo responden las células a diferentes factores de crecimiento o quimioquinas. Esto implica un control preciso del flujo de fluido sobre un grupo de células, lo cual es muy importante y fundamental en la mayoría de los procesos biológicos, como la morfogénesis, la metástasis del cáncer y la respuesta de las células inmunitarias. De forma similar a esos dispositivos microfluídicos para generar gradientes, los dispositivos para el cultivo de neuronas, y especialmente de neuronas com, representan un avance reciente en la microfluídica.
Con estos dispositivos, somos capaces de aislar y purificar fracciones axonales y también obtener estructuras muy polarizadas. En este caso, en comparación con ensayos convencionales como los de vacío y cámaras, donde era muy, a veces era difícil evitar fugas y otras dificultades experimentales. Los dispositivos microfluídicos ofrecen en general resultados más reproducibles y al mismo tiempo proporcionan una plataforma ópticamente compatible donde podemos realizar microscopía de alta resolución.
Y este dispositivo se está utilizando para realizar experimentos con el fin de observar cómo ocurre el transporte axonal. Así, mediante el uso de este nuevo dispositivo de cultivo neuronal microfluídico, muchos de nuestros colaboradores de todo el país están estudiando diferentes modelos de enfermedades neurodegenerativas, como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y la ELA. Tuve la gran fortuna de contar con excelentes colaboradores en los departamentos de neurociencia y patología aquí en la UC Irvine. Colaboro estrechamente con los laboratorios de Car Kaman Stewart, Ed Monki y Lisa Flanagan.
Nuestras colaboraciones implican reuniones regulares y tratar de identificar cuáles son los problemas que enfrentan los biólogos. Y en estas reuniones periódicas, descubrimos que, aunque existen herramientas convencionales disponibles, aún hay muchas aplicaciones en las que nosotros, como ingenieros biomédicos, podemos desempeñar un papel importante en la mejora y comprensión de esta investigación biomédica. Por ejemplo, nuestra colaboración con el laboratorio del Dr. Monki y el Dr. Flanagan durante los últimos cinco años ha sido muy productiva.
Primero, nuestros estudiantes pueden aprender cómo trabajar en estrecha colaboración con grupos y con diferentes disciplinas científicas. Y al mismo tiempo, hemos tenido la fortuna de abordar problemas en biología de células madre. Por ejemplo, el cultivo y la diferenciación de células madre dentro de dispositivos microfluídicos ofreció una perspectiva novedosa sobre cómo se comportan las células madre en un gradiente de un morfógeno como BMP.
Y creo que este tipo de colaboración será una parte importante de la ciencia futura a medida que un número cada vez mayor de ingenieros se interese por la investigación biomédica. Al mismo tiempo que crece la necesidad de nuevas herramientas con capacidades innovadoras en los campos de la neurociencia y otras ciencias biológicas, espero que haya muchas colaboraciones fructíferas que impulsen verdaderamente el campo de la investigación biomédica. Además, considero que el campo de la microfluídica y los microbiomas se encuentra en una fase emocionante.
Hay muchas nuevas aplicaciones que se están desarrollando prácticamente todos los días. Espero que en cinco años haya muchos más biólogos utilizando este tipo de dispositivos para investigaciones diarias, para experimentos de rutina, para migración celular o para otros fines especiales. Dado que estos dispositivos ofrecen muchas ventajas frente a los métodos convencionales basados en cultivos en placas de Petri, considero que la imaginación es el límite para desarrollar nuevos tipos de aplicaciones.
Y yo, creo que la estrecha colaboración con los biólogos dará lugar a nuevos tipos de dispositivos, que desempeñarán un papel significativo en el avance futuro de la investigación biomédica.
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Resumen
John, de la Universidad de California en Irvine, habla sobre su investigación en el desarrollo de dispositivos biomédicos y microfluídicos novedosos para la neurociencia y la investigación con células madre. Este campo emergente aprovecha técnicas de la industria de circuitos integrados para crear dispositivos miniaturizados destinados a aplicaciones en biología celular.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Ingeniería biomédica
- Neurociencia
- Microfluídica
Antecedentes
- La microfluídica es una disciplina joven que ha evolucionado en la última década.
- Utiliza métodos provenientes de la industria de circuitos integrados.
- Los experimentos biológicos tradicionales normalmente emplean escalas más grandes, como las placas de Petri.
- Las células suelen estar sumergidas en grandes volúmenes de líquido, lo cual puede limitar la precisión experimental.
Objetivo del estudio
- Desarrollar dispositivos pequeños con canales y depósitos para aplicaciones en biología celular.
- Mejorar la precisión de experimentos que involucran células pequeñas.
- Explorar el potencial de la miniaturización en la investigación biomédica.
Métodos Utilizados
- Desarrollo de dispositivos biomédicos novedosos.
- Aplicación de técnicas microfluídicas.
- Utilización de métodos de miniaturización provenientes de circuitos integrados.
- Diseño experimental centrado en aplicaciones biológicas a pequeña escala.
Resultados principales
- Creación de dispositivos que pueden manipular pequeños volúmenes de líquido.
- Mayor capacidad para realizar experimentos a escala microscópica.
- Potencial para mejorar los resultados en investigación de neurociencia y células madre.
- Demuestra las ventajas de los montajes experimentales miniaturizados.
Conclusiones
- Los dispositivos microfluídicos representan un avance significativo en la investigación biológica.
- La miniaturización puede conducir a experimentos más precisos y controlados.
- Un mayor desarrollo en este campo podría transformar las aplicaciones en neurociencia y células madre.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Los dispositivos microfluídicos permiten un control preciso de los microentornos celulares, abordando un desafío clave en la neurociencia y la investigación con células madre, donde los modelos convencionales en placa de Petri carecen de resolución espacial y temporal. Esta tecnología apoya la reducción mecanicista de riesgos al permitir el aislamiento fluídico de los compartimentos axonales y somáticos, facilitando estudios dirigidos de agresiones y la obtención de fracciones puras para análisis posteriores. La plataforma mejora la confianza predictiva en la validación de dianas y el desarrollo de ensayos al aumentar la reproducibilidad y permitir imágenes en vivo de células con alta resolución.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la evaluación de hipótesis terapéuticas mediante el aislamiento fluidico de compartimentos neuronales para estudiar respuestas específicas por compartimento frente a agresiones solubles.
- Valor operativo: Facilita la validación funcional de objetivos al mantener estructuras neuronales polarizadas durante hasta 2-3 semanas, permitiendo la evaluación longitudinal del transporte axonal y la degeneración.
- Valor predictivo: Mejora la confianza en los estudios de interacción con el objetivo al reducir la variabilidad experimental mediante un control preciso del microentorno y gradientes fluidicos reproducibles.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Valor científico: Proporciona una plataforma estandarizada para preparar sistemas biológicos validados con separación fluidica, permitiendo cribados fiables de compuestos en compartimentos axonales o somáticos distintos.
- Valor operativo: Mejora la reproducibilidad y escalabilidad del ensayo mediante piezas poliméricas moldeadas con precisión y compatibilidad con microscopía DIC, contraste de fase, confocal y de dos fotones.
- Utilidad de la plataforma: Permite análisis bioquímicos posteriores, como PCR en fracciones axonales puras, aumentando la preparación para cribado en la identificación de dianas y vías.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Relevancia traslacional: Modela lesiones del sistema nervioso central y neurodegeneración mediante la administración localizada de tóxicos o agregados a compartimentos axonales durante hasta 20 horas posteriores al cambio de medio.
- Continuidad preclínica: Conecta el descubrimiento con la validación preclínica al permitir cultivos longitudinales e inmunocitoquímica de punto final fijo para evaluar resultados estructurales y funcionales.
- Avance ajustado al riesgo: Orienta las decisiones de continuar o no continuar al proporcionar lecturas cuantitativas y específicas de cada compartimento que reducen la ambigüedad mecanicista en las vías diana.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
La plataforma de cultivo neuronal microfluídica se integra en el continuo de descubrimiento, desde la prueba de hipótesis hasta la identificación de compuestos activos y la validación preclínica, apoyando ciclos iterativos de diseño y prueba en el desarrollo de neuroterapéuticos.
- Biología del Descubrimiento: Facilita la comprobación de hipótesis mediante el control preciso espaciotemporal de gradientes de factores solubles para estudiar la quimiotaxis, la morfogénesis y las respuestas de células inmunitarias en un formato reduccionista.
- Selección: Permite la preparación del ensayo gracias a compartimentos ópticamente compatibles y aislados fluidicamente que posibilitan la evaluación paralela de compuestos sin contaminación cruzada.
- Análisis: Genera mediciones cuantitativas de variables dependientes, como la intensidad de fluorescencia axonal, la velocidad de transporte y perfiles moleculares basados en PCR a partir de fracciones purificadas.
- Investigación Traducional: Se integra en flujos de trabajo preclínicos mediante la modelización de mecanismos de patología del sistema nervioso central, como la degeneración axonal y los déficits de transporte, relevantes para las enfermedades de Alzheimer y Parkinson.
- Reutilización Empresarial: Funciona como una plataforma reutilizable en diversos proyectos debido a su adaptabilidad a distintos tipos neuronales, derivados de células madre y ensayos de factores solubles.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva en la validación de objetivos al reducir el ruido biológico y permitir la eliminación de riesgos mecanicistas mediante perturbaciones específicas de compartimentos.
- Valor operativo: Proporciona estandarización y reproducibilidad mediante moldeo de precisión y control de fluidos, minimizando la variabilidad entre pozos y entre experimentos.
- Valor estratégico: Mejora la eficiencia del capital al reducir los falsos positivos en las fases iniciales de cribado y disminuir el abandono en fases tardías debido a una mayor fidelidad biológica.
- Impacto en la cartera: Permite la priorización ajustada al riesgo de candidatos neuroterapéuticos mediante perfiles de eficacia y toxicidad resueltos por compartimentos.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en diseño de microfluidos, cultivo neuronal y microscopía de células vivas para optimizar la fabricación del dispositivo y el montaje experimental.
- Depende del acceso a herramientas para la fabricación de dispositivos microfluídicos, sistemas de control de presión para aislamiento hidrostático y plataformas de microscopía compatibles.
- Necesita una estandarización conjunta entre los equipos de ingeniería y biología para garantizar un funcionamiento consistente del dispositivo y una interpretación uniforme de los datos.
- Requiere consideraciones de adaptación al extenderse más allá de las neuronas del sistema nervioso central a otros tipos celulares, como células madre o células inmunitarias, debido a sus diferentes propiedades de adhesión y migración.
- Está limitado por la necesidad de técnicas asépticas y protocolos de cambio de medio para mantener el aislamiento fluidico durante periodos prolongados de cultivo (2-3 semanas).
