Utiliser Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) pour développer des outils diagnostiques

Je suis U De Mercy, je suis le chercheur principal des Bio Stick MAM dans les laboratoires de médecine. J’ai fait mon doctorat en génie électrique à l’Université de Stanford. J’ai fait un postdoc à la Harvard Medical School à l’HGM où j’ai travaillé sur les MAM bioacoustiques ou surtout les MA bioacoustiques.

Et maintenant, je continue en tant que professeur à la Harvard Medical School à Harvard MIT, en sciences de la santé et en technologie. Et continuer mes recherches que j’apprécie beaucoup. Le travail que j’ai effectué pendant mon doctorat était très lié aux gouttelettes et à l’utilisation de l’acoustique pour générer des gouttelettes de taille précise et contrôler leur emplacement et leur position pour déposer des polymères très sensibles.

Aujourd’hui, nous appliquons des technologies similaires pour encapsuler des cellules dans des gouttelettes, puis les positionner sur les surfaces pour diverses applications en ingénierie tissulaire afin d’imprimer des cellules sur les surfaces pour modéliser les cellules. De plus, il y a des applications où vous voulez voir que vous pouvez encapsuler quelques cellules ou une seule cellule ou de la même population et pour voir les différences entre la même population d’une cellule à une autre, il est possible d’encapsuler des cellules dans des gouttelettes à des débits élevés comme 10 000 cellules par seconde, ce type de taux devient très important et très utile pour comprendre les problèmes biologiques. Ma recherche a donc actuellement deux jambes, je dirais.

L’un d’eux est ce travail d’encapsulation cellulaire dont je viens de parler. Comment pouvons-nous emballer une cellule dans une gouttelette qui est, et comment pouvons-nous le faire de manière répétée et fiable et sans endommager les cellules ? Ainsi, une fois que la cellule est éjectée ou encapsulée dans la gouttelette, nous devrions être en mesure de localiser précisément sur une surface la cellule devrait être fonctionnelle, vivante et viable.

Il ne devrait pas être endommagé par les effets de l’éjection et ainsi de suite. À l’heure actuelle, nous avons actuellement un système où nous utilisons des ondes acoustiques axées sur les gouttes pour générer ces gouttelettes à partir de bassins ouverts où nous pouvons encapsuler jusqu’à des cellules uniques dans ces gouttelettes vraiment petites qui sont comparables à la taille de la cellule. C’est très excitant en termes d’application de cela à l’impression cellulaire et à l’ingénierie tissulaire.

L’autre aspect de ma recherche consiste à utiliser ces technologies de systèmes micro-électromécaniques MAM pour développer des outils de diagnostic à faible coût. La plupart du temps, cette recherche utilise des approches microfluidiques où nous pouvons introduire du sang total, de très petits volumes tels que le sang d’une piqûre au doigt, moins de 10 microlitres que vous pouvez introduire dans une puce. Et à partir de ce sang, nous pouvons encapsuler ou vous pouvez capturer certaines populations subcellulaires à partir de sang total.

Pourquoi est-ce important ? Pourquoi cela devrait-il être bon marché pour les applications de santé mondiale Au sommet de la montagne en Afrique, vous voulez être en mesure de dire pour un patient atteint du VIH, par exemple, combien de lymphocytes T CD quatre ce patient a. Parce que l’Organisation mondiale de la santé dit qu’en dessous de 200 CD quatre cellules par microlitre, vous devez commencer à traiter les patients Dans le monde développé, vous utilisez des centaines de milliers de dollars de cytomètres en flux vert pour pouvoir obtenir ces données.

Et il faut bien sûr du temps pour l’utiliser et des compétences pour pouvoir les utiliser comme d’énormes machines de la taille d’une table. Notre petite puce peut être introduite dans cette petite brique de doigt de 10 microlitres de sang total et elle capturera les quatre cellules CD en utilisant les affinités protéiques de surface. Ensuite, vous pouvez compter rapidement ces cellules qui sont capturées parce que vous savez qu’il y a des cellules CD quatre qui sont attachées à des anticorps anti-protéines CD quatre à la surface de la puce.

En contrôlant les débits et le cisaillement, vous pouvez vous assurer que la spécificité et l’efficacité de ces types de cellules sont optimisées. Et il y a bien sûr toujours une liaison non spécifique, mais par nos approches pures, nous minimisons ces effets et nous nous assurons qu’entre plus moins 10 % d’erreurs, ce qui est suffisant pour prendre une décision diagnostique ou pronostique sur la montagne supérieure en Afrique. Cela a donc des applications intéressantes pour la santé mondiale, ainsi que ces techniques peu coûteuses qui sont jetables peuvent avoir un impact sur le monde développé, car maintenant ces tests sanguins rapides qui sont vraiment peu coûteux peuvent avoir un impact sur les tests que nous utilisons dans le monde développé.

S’ils sont optimisés à des niveaux plus élevés d’efficacité et de spécificité, ce que nos données initiales montrent qu’ils peuvent être, alors cela aura certainement un impact sur nos vies. Lorsque j’ai terminé mon doctorat, j’en savais plus sur la microfluidique et que dans les MAM plus que tout ce que je pouvais voir, en particulier avec l’application des gouttelettes, je pouvais voir que si je pouvais imprimer des cellules et encapsuler des cellules ou manipuler les quelques cellules, des cellules uniques, cela aurait d’excellentes applications dans le domaine de la biotechnologie. Et j’étais très intéressé à travailler sur des choses qui auront un impact réel sur la vie des gens.

J’avais l’habitude d’appliquer ces technologies à l’industrie des semi-conducteurs, mais je voulais ensuite être utile directement aux gens. C’est ce qui m’a orienté vers les problèmes de santé. Et c’est pourquoi j’ai fait un grand changement et je suis venu à l’hôpital, à l’hôpital général de masse au postdoc.

Et là, vous savez, j’ai été de plus en plus exposé à des problèmes et il semble, et il est tout à fait clair, que l’un des plus grands problèmes du monde aujourd’hui est la santé mondiale et il y a des maladies comme la tuberculose, le VIH qui tue des milliers de personnes par jour. Et ces gens meurent non pas parce que les médicaments ne sont pas là, mais parce qu’il n’y a pas assez d’outils de diagnostic, ce qui est beaucoup plus cher que les médicaments existants. Je connais donc très bien l’aspect technologique des choses.

Je comprends, j’ai été exposé aux problèmes biologiques et plus j’en apprenais à leur sujet, plus je pouvais voir que je pouvais avoir un impact. Et c’est ainsi que tout s’est développé à partir de là. Et cela continue encore aujourd’hui.

Comme je l’ai vu, la biotechnologie et en médecine, il y a tellement de problèmes qui causent directement notre résultat en perte de vies humaines et les technologies, l’aspect technologique de cela et être capable de l’appliquer à des problèmes médicaux du monde réel est une grande, je pense que la voie à suivre. C’est comme si tout ce domaine de la biotechnologie se développait et devenait très percutant. Si vous y réfléchissez, le VIH, le cancer, ce sont de grandes causes de mortalité dans le monde.

Et les microtechnologies actuelles, les approches actuelles pourraient peut-être bénéficier de la détection précoce du cancer en capturant ces cellules dans le sang ou en les rendant vraiment bon marché, ce qui les rendrait accessibles aux masses. Donc, toutes ces choses réunies, je pense que toutes ces applications de la microtechnologie dans les soins de santé en médecine pourraient avoir un impact sur l’avenir des êtres humains. C’est comme ça que toutes ces choses se rejoignent, je suppose.

Et être dans le MIT des sciences de la santé et de la technologie de Harvard où, d’un côté, vous avez la technologie et de l’autre, vous avez un accès direct aux patients, un accès direct aux médecins du Brigham and Women’s Hospital où je travaille, c’est un environnement formidable. Parce que chaque personne à qui vous parlez a ses problèmes et vous pourriez peut-être que cela vient d’un milieu différent. fournir des solutions intéressantes à ces problèmes existants du monde réel. C’est donc, je pense, comment je vois toute la perspective de la façon dont ces problèmes médicaux rencontrent le côté technologique.

Et nous essayons d’avoir un impact positif sur la vie des gens. Dans l’encapsulation d’une seule coiffe cellulaire ou dans l’encapsulation de cellules, le principal défi est de pouvoir encapsuler des cellules uniques de manière fiable et répétitive. Vous éjectez donc 10 000 cent mille cellules par seconde.

Et comment vous assurez-vous que chaque gouttelette que vous éjectez a une seule cellule ? Il s’agit d’une statistique où vous modifiez la taille des gouttelettes et minimisez la, en optimisant la taille de la cellule par rapport à la taille des gouttelettes, ce qui rejoint le vieux problème de l’emballage des sphères dans un volume et quelle est la façon la plus efficace de le faire. C’est donc le plus grand défi dans le domaine de l’impression cellulaire pour le côté technologique.

L’autre aspect est que vous pouvez maintenant dire imprimer et localiser précisément ces cellules. Comment pouvez-vous générer ces tissus tridimensionnels, comment pouvez-vous les maintenir en vie et comment pouvez-vous les transplanter ? Il y a dans la partie biologique des problèmes où vous voulez maintenant imiter exactement le tissu.

Nous avons des approches actuelles pour pouvoir imprimer un œillet, un œillet de pancréas, et pour pouvoir imprimer en utilisant des cellules musculaires lisses, un tissu de la vessie, imitant directement ce qui se trouve dans la vessie humaine ou rouge afin que nous puissions ensuite fabriquer ce tissu et tester sa performance par rapport aux tissus natifs existants dans le monde réel. C’est donc le principal défi, je suppose, en utilisant ces nouvelles technologies, comment pouvez-vous faire de ce tissu le tissu idéal qui peut être remplacé, qui peut être transplanté, c’est, vous savez, le plus gros problème dès le début, parce que le contrôle sur une seule cellule vous donne la capacité de les localiser avec précision. Et ensuite, comment le faire grandir à partir de là ?

C’est donc quelque chose de transplantable là-bas, là où se produit l’impact de la vie humaine. Donc, de ce côté-là, quels sont les défis du côté de l’ingénierie tissulaire dans l’encapsulation du Sud et dans les diagnostics utilisant la microfluidique, le défi est de pouvoir capturer une cellule parmi des milliards de cellules. C’est comme si vous aviez une particule de sucre dans un bidon de sel et que vous essayiez d’extraire cette particule de sucre et c’est comme une sur un milliard.

Donc, vous, vous traitez des microlitres en millilitres de sang total et vous voulez être en mesure de le faire spécifiquement et efficacement, sans aucun problème technologique comme le colmatage ou tout problème biologique comme la liaison non spécifique, vous voulez être en mesure d’isoler une cellule sur un milliard de cellules dans un microlitre de sang total, vous avez quelques millions de cellules. Et pour le cas des lymphocytes T CD quatre dans ce microlitre, nous recherchons environ mille cellules par microlitre. C’est donc comme une cellule sur mille une sorte de problème où nous avons montré que c’est faisable.

Mais lorsque vous voulez vous attaquer aux cellules tumorales circulantes pour le cancer, le défi devient un sur un milliard. Donc, pour certains le résumer, le défi est de savoir comment capturer cette cellule parmi des milliards d’autres cellules qui l’entourent ? Et quels sont les aspects technologiques ?

Quels sont les débits ? Quelle est la conception de l’appareil ? Quoi, quels sont les débits ?

Quels sont les volumes de sang qui doivent être traités et comment vous assurez-vous que les cellules que vous capturez sont celles que vous vouliez réellement capturer ? Tous ces aspects ont en quelque sorte formé l’ensemble du défi qui peut être résumé en une phrase, à savoir comment capturer cette cellule rare parmi des milliards d’autres ? C’est donc vraiment une sorte de problème d’aiguille dans une botte de foin, ce qui est passionnant.

Et je pense que cela fait progresser les technologies pour résoudre ces problèmes est le défi technologique actuel. Être capable de les amener à un niveau où ils font le travail qu’ils sont censés faire est une chose. Ensuite, le fait de l’amener à la clinique et d’en faire un produit a toutes sortes d’expertises, comme la possibilité de créer une entreprise, de breveter ces choses et tous ces autres aspects entrent en ligne de compte.

Et je pense que nous, en tant que scientifiques, n’avons pas toutes ces compétences qui permettent de faire passer les produits d’un ordinateur de bureau à l’autre. C’est pourquoi l’importance des collaborations avec des personnes qui ont des antécédents différents est à nouveau d’actualité. Et il existe de nombreuses technologies qui, selon moi, pourraient avoir un impact et être très utiles.

Parfois, ils ne se rendent pas à la clinique ou à l’utilisation de l’humanité, soit parce que cela ne s’est pas produit, soit parce que ce n’était pas le bon moment, soit parce que d’autres effets sont apparus comme je viens de parler. Ou parfois, il n’y a pas de lien direct que vous ne pouvez pas voir que la technologie pourrait réellement résoudre ce problème. Et la personne qui s’occupe du problème, ou disons les biologistes ou les gens en médecine, ont l’habitude de le faire d’une certaine manière pendant de nombreuses années.

Et les gens du côté de la technologie, surtout si vous n’êtes pas axés sur la biotechnologie, ne sont pas conscients des problèmes de la médecine. Réunir ces deux côtés est donc une recherche interdisciplinaire sérieuse. Et je pense que ces dernières années, l’accent mis à la fois au niveau des NIH et que nous voyons dans les laboratoires de recherche et les universités est de générer une recherche interdisciplinaire.

Ainsi, les gens finissent par obtenir des doctorats où ils doivent connaître plusieurs domaines. Par exemple, pour mon doctorat, j’ai dû connaître l’acoustique, les mems, la microfluidique et j’ai dû l’appliquer aux polymères. Donc, maintenant, vous voyez une sorte de connaissance très approfondie dans un domaine où vous deviez en fait connaître assez bien trois autres domaines pour être en mesure de résoudre ce problème.

Je pense donc que la réponse réside dans la recherche interdisciplinaire combinée à des personnes ayant des compétences en affaires pour le rendre disponible à l’usage des gens, c’est tout un processus important et certaines inefficacités qui se manifestent à certains endroits. Parce que ce faible pourcentage de transfert de technologie.