Dispositivo microfluídico bicapa para la producción de tapones combinatorios
1 de diciembre de 2023
Aquí se presenta la fabricación de un dispositivo bicapa basado en polidimetilsiloxano (PDMS) para la producción de bibliotecas combinatorias en emulsiones de agua en aceite (tapones). El hardware y el software necesarios para automatizar la producción de enchufes se detallan en el protocolo, y también se demuestra la producción de una biblioteca cuantitativa de enchufes fluorescentes.
En el Grupo de Biología de Sistemas para Oncología utilizamos un enfoque computacional y experimental combinado para desentrañar el intrincado mecanismo que da forma al microambiente tumoral. Utilizamos modelos matemáticos basados en datos clínicos y biología del cáncer para identificar los factores que influyen en la respuesta individual a la terapia con el objetivo final de mejorar la oncología de precisión. Dada la naturaleza heterogénea y dinámica de la respuesta tumoral al tratamiento, la biología de las perturbaciones ha demostrado el potencial para superar la limitación de los biomarcadores genómicos.
Nuestro enfoque consiste en someter las células tumorales receptivas a un extenso cribado de fármacos anticancerígenos para identificar las propiedades fenotípicas de los tumores con el fin de determinar tratamientos anticancerígenos más eficaces. La microfluídica es una tecnología valiosa que ayuda en el análisis de una pequeña cantidad de muestra, como una biopsia tumoral, distribuyéndola en compartimentos individuales, como gotas o tapones. También permite el control de la composición de cada tapón, creando así múltiples poblaciones de tapones químicamente distintos.
Presentamos aquí un dispositivo totalmente basado en PDMS donde el flujo de fluido está regulado por válvulas sísmicas accionadas por presión, que permiten la producción rápida, controlada y programable de distintas poblaciones de tapones. Además, dado que las válvulas sísmicas también están basadas en PDMS, pueden integrarse sin problemas en la fabricación de dispositivos. La combinación de los datos obtenidos del cribado combinatorio de células cancerosas con modelos matemáticos nos permitirá estudiar las vías de señalización que regulan el comportamiento del microambiente tumoral.
Esta investigación allanará el camino para nuevas estrategias para la oncología de precisión, proporcionando la justificación para personalizar el tratamiento para pacientes individuales.
Descripción general
Este artículo presenta la fabricación de un dispositivo bicapa basado en PDMS diseñado para la producción de bibliotecas combinatorias en emulsiones de agua en aceite. El protocolo detalla el hardware y software necesarios para automatizar la producción de tapones y demuestra la creación de una biblioteca cuantitativa de tapones fluorescentes.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Microfluídica
- Selección combinatoria
- Biología del cáncer
Antecedentes
- El microentorno tumoral es complejo y dinámico.
- La oncología de precisión busca personalizar el tratamiento según las respuestas individuales.
- La microfluídica permite el análisis de muestras pequeñas mediante la creación de compartimentos distintos.
- Los dispositivos de PDMS permiten un flujo controlado de fluidos para la producción eficiente de tapones.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un dispositivo para producir poblaciones distintas de tapones para la investigación del cáncer.
- Combinar datos experimentales con modelos matemáticos para comprender mejor el comportamiento tumoral.
- Mejorar las estrategias para la oncología de precisión.
Métodos Utilizados
- Elaboración de un dispositivo microfluídico basado en PDMS.
- Uso de válvulas accionadas por presión de tipo Quake para la regulación de fluidos.
- Producción automatizada de tapones mediante control por software.
- Generación de una biblioteca combinatoria de tapones fluorescentes.
Resultados principales
- Se generó con éxito una biblioteca cuantitativa de tapones.
- El dispositivo demostró una regulación eficaz del flujo de fluido.
- Se presentó la integración de modelos matemáticos con datos experimentales.
- Se discutieron aplicaciones potenciales en oncología de precisión.
Conclusiones
- El dispositivo basado en PDMS es una herramienta valiosa para la investigación del cáncer.
- Facilita la producción de poblaciones de tapones químicamente distintas.
- Este enfoque podría conducir a estrategias mejoradas de tratamiento del cáncer.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
La producción combinatoria de alto rendimiento de microcompartimentos mediante dispositivos microfluídicos de doble capa permite la evaluación rápida y programable de respuestas a fármacos en muestras limitadas derivadas de pacientes. Esta tecnología aborda el desafío de generar compartimentos de reacción cuantitativos y químicamente distintos para la selección fenotípica y el análisis de vías en oncología. Su integración con modelado computacional apoya la confianza predictiva y la reducción de riesgos mecanicistas en puntos críticos del descubrimiento.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Permite la perturbación sistemática de células tumorales para investigar hipótesis terapéuticas y aclarar las vías de señalización.
- Apoya la reducción de riesgos biológicos mediante la generación de entornos químicos diversos para la validación funcional del blanco.
- Facilita la confianza predictiva en la selección de blancos a través de resultados cuantitativos y multiplexados de cribado.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Prepara sistemas biológicos miniaturizados y validados para flujos de trabajo de cribado de alto rendimiento posteriores.
- Proporciona poblaciones estandarizadas y reproducibles de microplacas con composición y cantidad programables.
- Posibilita el desarrollo de ensayos escalables y automatizados para la evaluación confiable de compuestos y la ampliación de bibliotecas.
Investigación Translacional y Preclínica
- Alinea la selección combinatoria con sistemas relevantes para la enfermedad mediante biopsias tumorales derivadas de pacientes.
- Mantiene la continuidad traslacional desde el descubrimiento hasta la validación preclínica mediante la integración de datos experimentales y computacionales.
- Proporciona una reducción mecanicista de riesgos para estrategias de oncología de precisión mediante el mapeo de respuestas fenotípicas a fármacos.
Integración de la Línea de Producción y Flujo de Trabajo
Esta plataforma microfluídica de doble capa es adecuada desde el descubrimiento inicial hasta la identificación de compuestos prometedores y la investigación preclínica, especialmente en líneas de investigación enfocadas en oncología.
- Biología del Descubrimiento: Facilita la comprobación de hipótesis y la aclaración de vías mediante experimentos de perturbación controlada en compartimentos de nanolitros.
- Selección: Proporciona bibliotecas de compartimentos listas para ensayos, reproducibles y con resultados cuantitativos para análisis comparativo.
- Análisis: Ofrece mediciones cuantitativas de alto contenido para la comparación estadística de respuestas a fármacos y actividades de vías.
- Investigación Traductiva: Conecta las fases de descubrimiento y preclínica al permitir el uso directo de muestras derivadas de pacientes en ensayos combinatorios.
- Reutilización Empresarial: Ofrece una plataforma programable y escalable, adaptable a diversas necesidades de selección y desarrollo de ensayos en distintas áreas terapéuticas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Aumenta la confianza predictiva y reduce la ambigüedad mecanicista en la validación de dianas y vías.
- Valor operativo: Estandariza y automatiza la producción de placas para lograr reproducibilidad y escalabilidad en los flujos de trabajo de cribado.
- Valor estratégico: Mejora la calidad de las decisiones de avance o interrupción y la eficiencia del capital al permitir la generación robusta de datos multiplexados.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización y el avance ajustados al riesgo de candidatos basándose en datos cuantitativos de cribado fenotípico.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en la fabricación de dispositivos microfluídicos y en fluidos impulsados por presión.
- Necesita la integración de hardware programable, software e infraestructura analítica para la operación automatizada.
- Exige la estandarización entre equipos en la codificación de la composición de los tapones y en la gestión de datos.
- Adaptable a diversos sistemas modelo, pero puede requerir optimización para diferentes tipos celulares o reactivos.
- Los límites de presión operativa y los umbrales de activación de las válvulas deben validarse para cada aplicación.
