Name: BioMEMS וביולוגיה נייד: היבטים ויישומים (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: חקור מערכות BioMEMS ומיקרוזרימה לחקר תאים בעצבנות באמצעות מיקרופלואידיקה מתקדמת. שיטות אלו מאפשרות סימולציה מדויקת של תנאים פיזיולוגיים אמיתיים במעבדה.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

biomems וביולוגיה נייד: היבטים ויישומים

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

היכולת תאים תרבות יש מהפכה בדיקת השערות בתא מחקר בסיסי בביולוגיה מולקולרית. זה הפך להיות שיטה סטנדרטית לסריקת תרופות, טוקסיקולוגיה, מבחני קליני, והוא משמש יותר ויותר רפואה רגנרטיבית. עם זאת, התא המסורתי תרבות מתודולוגיה המורכב בעיקרו טבילה של אוכלוסייה גדולה של תאים בינוניים נוזל הומוגני על מצע שטוח הומוגנית הפך יותר ויותר הגבלת הן מנקודת מבט יסודי ומעשי. טכנולוגיות Microfabrication אפשרו לחוקרים עיצוב, עם שליטה מיקרומטר, הרכב טופולוגיה ביוכימיות של המצע, והרכב בינוני, כמו גם את סוג התא השכנות microenvironment הסלולר שמסביב. בנוסף, הוא microtechnology מושגית היטב מתאים לפיתוח מהיר, בעלות נמוכה במערכות חוץ גופית המאפשרים culturing תפוקה גבוהה וניתוח של תאים תחת מספר רב של מצבים. בראיון זה, אלברט Folch מסביר מגבלות אלה, וכיצד ניתן להתגבר עם ליתוגרפיה מיקרופלואידיקה רך, ומתאר כמה דוגמאות הרלוונטיות של מחקר במעבדה שלו וכיוונים עתידיים.

BioMEMS וביולוגיה נייד: היבטים ויישומים

היכולת לגדל תרביות תאים חוללה מהפכה בבדיקת היפותזות במחקר בסיסי של ביולוגיה של התא וביולוגיה מולקולרית. היא הפכה למתודולוגיה סטנדרטית ב...

אני אלברט פאלק. אני פרופסור באוניברסיטת וושינגטון בסיאטל, ואני עובד בתחום הרחב של biomes, המהווה קיצור למערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות ביו-רפואיות. אנו עוסקים במיקרופלואידיקה ומתמקדים ביישומים בביולוגיה של התא, בעיקר במדעי העצבים.אחד ממוקדי המחקר של המעבדה הוא ניסיון להתגבר על המגבלות של טכנולוגיית תרביות תאים מסורתית. אם תבחנו את הדרך שבה ביולוגים של תאים חוקרים תאים in vitro, בתוך צלחת פטרי, תבחינו מיד שהתאים טבולים במצע תרבית תאים הומוגני, והם גם מונחים על משטח הומוגני. עם זאת, בגוף התאים אינם נמצאים על משטח הומוגני.הן אינן טבולות בתוך תווך הומוגני. למעשה, הן חשופות למגוון של אותות המשתנים במרחב ובזמן, לרוב בצורה של מדרגות ריכוז, והן מוקפות על ידי מטריצה מסוג ג'ל. קיימות גם מגבלות מעשיות כאשר לומדים תאים בצלחת פטרי; נדרש אינקובטור, שהוא ציוד גדול ויקר.בדרך כלל, ביולוגים מעוניינים לחקור קבוצה של תנאים שונים. הם רוצים לחקור תאים, נניח, בתרבית תאים A ובתרבית תאים B. קיימת שונות רבה באופן שבו תאים מגיבים לתרכובות אלו. לכן, בדרך כלל, הביולוגים מניחים את התאים בצלחות פטרי שונות, אולי הם מבצעים זאת בשלוש חזרות, ולאחר מכן הם בוחנים טווח של תנאים, כך שבסופו של דבר הם משתמשים בכמויות גדולות של מצע לתרבית תאים, בהרבה ציוד ובשלל צלחות, דבר התופס מקום רב.לכן אנו מנסים למזער את התהליך, וזהו אחד ההיבטים שלו. כמו כן, החלפת התרבית והכנסת התאים והחלפת מצע גידול התאים דורשות הרבה פעולות פיפטה. הדבר כרוך בעלויות גבוהות מאוד במונחים של זמן וכוח אדם, וכן בכמות הנוזלים שיש להכניס ולהוציא מתוך צלחת הפטרי.מגבלה נוספת היא שכדי למלא את כל המשטחים בתאים, יש להשתמש במספר גדול של תאים, דבר הדורש לעיתים קרובות הקרבה של מספר רב של בעלי חיים. כמו כן, הדבר עלול להיות יקר פשוט בשל הכמויות הגדולות. לסיכום, הטכניקות המסורתיות גוררות עלויות כספיות גבוהות.הם יקרים מאוד, הן במונחים של הזמן והכוח האדם הנדרשים כדי להשתמש בהם ליישום כל ניסוי, והן במונחים של התוצרים בפועל; ביולוגים מסתפקים לעיתים קרובות בפשרה על מספר המשטחים או על התנאים הנלמדים. כתוצאה מכך, הדבר מוביל לנתונים חלשים מאוד מבחינה סטטיסטית. מסקנות במחקר ביולוגי טיפוסי הן איכותניות מאוד בסטנדרטים הנדסיים, ולכן מתברר שכל המחקרים הללו אינם ניתנים להרחבה (scalable).וזה הופך כעת לבעיה משמעותית בעידן הגנומי, שבו חוקרים מעוניינים לבחון מספר רב של תנאים ומשתנים, ולגלות משתנים חדשים ותופעות תאיות חדשות שניתן לחשוף רק על ידי دراسة של מספר רב של תאים ותנאים. לפיכך, טכניקות של מיקרו-פבריקציה מעניקות לנו מספר יתרונות המנוצלים מסיבות שונות. ישנם יתרונות ראשית מהבחינה היסודית, בדומה לאופן שבו במיקרו-אלקטרוניקה טרנזיסטורים פועלים בצורה טובה יותר ככל שהם קטנים יותר.כאן אנו גם בונים מכשירים שניגשים לקנה מידה שדומה למסדר הגודל של האובייקט הנחקר, שהוא התא. טכנולוגיית המיקרו-פבריקציה יכולה להתגבר על מגבלות אלו, לא בדרך אחת, אלא במובנים רבים; ראשית, היא מאפשרת לבחון תאים בודדים במספרים גדולים מאוד.כך מתקבלות באופן מיידי מסקנות כמותיות מאוד. בנוסף, הדבר מאפשר לבצע ניסויים זולים. כמו כן, מערכות אלו זולות מאוד לייצור, במובן שניתן להכין מכשירים רבים במחיר של מכשיר אחד.כמו כן, הם זולים לתפעול כיוון שהם פשוטים, והם ניתנים לאוטומציה בקלות רבה. יתרונות אלו, של עלות ייצור נמוכה ועלות תפעול נמוכה, מובילים ליישומים מסחריים מוצלחים מאוד. לבסוף, מערכות אלו ניתנות לתכנון כמותי בצורה יעילה מאוד.זהו שלב חשוב מאוד, כיוון שבדרך זו אנו יכולים למדל את ההתנהגות של, נניח, התקן מיקרופלואידי או ייצור של משטח, ולדעת בדיוק כיצד הוא יעבוד. לאחר מכן אנו חוזרים אחורה; הדבר נעשה באמצעות מידול, ואיננו פונים עדיין למעבדה.לאחר שהכל עובד בתיאוריה, אנו עוברים למעבדה ומיישמים זאת, ובכך חוסכים זמן רב בביצוע. אחת הטכנולוגיות העיקריים שבהן אנו משתמשים במעבדה שלנו נקראת ליתוגרפיה רכה (soft lithography); זוהי משפחה של טכניקות אחיות שפותחו על ידי ג'ורג' וייטסייד מהרווארד מאז תחילת שנות התשעים. הן מבוססות על שכפול ויציקה של חומר, אלסטומר שקוף הנקרא Polymethyl Sloane, או PDMS; ביולוגים מכירים אותו בשם המותג Sylgard 184 המיוצר על ידי Dow Corning.וזהו למעשה גומי שקוף, זהו התקן. ניתן לכופף אותו וכפי שאמרתי, ניתן לעצב אותו; ניתן לייצר אותו שוב ושוב מאותה תבנית, כאשר החלק היקר לייצור הוא התבנית. אך את החומר אנו קונים בדליים.זה, זה, אתם יודעים, זה לא יקר מאוד. בנוסף, זה בעל תאימות ביולוגית גבוהה מאוד. ניתן אפילו לזרע על גביו תאים.הוא משמש בהשתלות. יתרון משמעותי נוסף הוא היותו שקוף, דבר שחיוני מאוד עבור מיקרוסקופיה ביולוגית, אשר כפי שאתם יודעים, היא שיטת ניתוח חשובה מאוד במחקרים ביולוגיים. תהליך היציקה, כפי שניתן לראות בסרטונים מהמעבדה, הוא פשוט מאוד וישיר.התהליך כולל פשוט ערבוב של שני רכיבים. כפי שאתם יודעים, כל אחד יכול לעשות זאת; זה בדיוק כמו בישול והכנסה של המנה לתנור.אפילו בני בן ארבע השנים הגיע למעבדה ולמעשה ייצר גומי. כך שזה באמת פשוט. מיקרופלואידיקה היא חקר התנהגותם של נוזלים.בתעלות קטנות, כפי שאתם יודעים, לא ניתן להשליך אבן אל תוך המים. זאת מכיוון שכוחות החיכוך בין האבן למים גדולים מאוד בהשוואה לכוח שאתם מפעילים עליה. תהליך דומה קורה בתעלה קטנה שבה המצב הוא הפוך.המים הם הגוף הנע, והדפנות שסביבם מפעילות חיכוך רב עליהם; בשל יחס השטח לנפח הגבוה במיקרו-ערוצים, לדפנות יש השפעה חזקה מאוד. לפיכך, כוחות אינרציה אלו קטנים מאוד בהשוואה לכוחות הצמיגות ולחיכוך הנגרם מהדפנות. מכיוון שכוחות הצמיגות דומננטיים, תמיד תתרחש זרימה למינרית במיקרו-ערוצים, שכן הנוזל זורם בשכבות.דוגמה לכך מוצגת כאן, שבה זרמים שונים אינם מסוגלים להתערבב כיוון שהם זורמים זה לצד זה. אין כאן טורבולנציה שתאיץ את הערבוב כפי שקורה כאשר מערבבים כוס קפה. כיוון שכוחות הצמיגות דומיננטיים וקשה מאוד להגיע לטורבולנציה במיקרו-ערוץ, המשמעות היא ששני זרמים המתמזגים לערוץ אחד לא יתערבבו, אלא יתערבבו רק על ידי דיפוזיה באופן איטי מאוד.כעת אנו מנצלים תכונה זו כדי לחשוף חלקים שונים של אוכלוסיית תאים, או אפילו תא בודד, לנוזלים שונים. הסיבה לכך היא ש כך הדברים קורים in vivo. בתוך האורגניזם, תאים נחשפים למדרגי ריכוזים של חומרים, ולעיתים קרובות באופן חולף מאוד.מכיוון שאנו יודעים בדיוק, אנו יכולים למדל אפילו את התנהגות הנוזלים, את הדיפוזיה של החומרים השונים בזרם הנוזל, אנו יודעים לאיזה ריכוז התא חשוף ואיזה חלק מהתא חשוף לאיזה ריכוז. דבר זה מאפשר לנו לבצע מחקרים כמותיים מאוד על חשיפת תאים לחומר מסוים. כדוגמה לאופן שבו ניתן להשתמש בזרימה למינרית (laminar flow) כדי לחקור תאים, יש לנו פרויקט במעבדה, שבו אנו מנסים למעשה לדמות מצב שבו תא שריר מעובד כך שהוא "חושב" שהוא עובר אינרובציה על ידי נוירון.במהלך ההתפתחות, העצב מגיע בשלב מסוים לשריר ומפריש חומר הנקרא אגרין (agrin), המעורב ביצירת הסינפסה. לכן, מה שאנו עושים הוא דבר פשוט מאוד מבחינה מושגית: אנו מניחים תאי שריר במכשיר ואנו חושפים אותם לזרימה המכילה אגרין רק בחלק המרכזי של הזרימה.כך אנו יכולים להניח שההתקן הוא העצב ותאי השריר הנמצאים בתוך ההתקן הם השריר האמיתי במהלך הפיתוח. דוגמה נוספת שבה מיקרופלואידיקה היא כלי רב עוצמה היא במחקר של הנחיית אקסונים. כאן, הרעיון הוא לנצל את העובדה שאנו יודעים, ויכולים לחזות היטב, כיצד נוזלים מפעפעים בנפחים קטנים, כדי לייצר מדרגי ריכוזים של חומרים.ובמהלך ההתפתחות, מפלג ריכוזים (גרדיאנטים) הם האחראים, או אחראים חלקית, לאופן שבו תאי עצב מוצאים את יעדיהם. לכן, אנו מנסים לשחזר זאת בתוך צלחת פטרי. בתוך מיקרו-ערוץ, חוש הריח הוא מערכת חיישנים מרתקת.נוירונים באף, נניח של עכברים, מבטאים כל אחד מהם סוג אחד בלבד של קולטן ריח. בעכברים קיימים כאלף גנים שונים של קולטני ריח. כל קולטן נקשר למגוון של חומרי ריח, וכל חומר ריח נקשר למספר קולטנים.כדי שנוכל להאמין שהדרך שבה אנו מזהים ריחות היא באופן קומבינטורי, במחקרי פרקטין מסורתיים קשה למצוא התאמות בין מספר רב של חומרי ריח לרספטור נתון, או בין חומר ריח כלשהו למספר רב של רספטורים. זאת מכיוון שקשה מאוד לחשוף נוירון נתון, או נוירון חושי ריח, למגוון של חומרי ריח, ולהפך – עבור חומר ריח נתון, קשה מאוד לחשוף את כל הנוירונים באפיתליום הריחית. לכן, הגישה שלנו הייתה לקחת את האפיתליום הריחית, לפרק אותו לתאים בודדים ולהניח אותם על מערך, במיקרו-מערך גדול של מיקרו-בארות, תא אחד לכל מיקרו-באר.ובשדה הראייה יש לנו בדרך כלל עשרות אלפי נוירונים שאנו מדמיינים באמצעות דימוי סידן, ואנו בוחנים את דפוסי ההפעלה של נוירונים אלו, של כמות גדולה זו של נוירונים, בתגובה לחומרי ריח ולקבוצות של ריחות. הדבר מאפשר לנו להיות בטוחים שעבור כל ריח נתון שנבחר, אנו בוחנים את כל מרחב הקולטנים הריחוניים. ישנם, כידוע, לפחות קולטן אחד או מספר קולטנים המיוצגים במערך זה.ובדרך זו אנו יודעים שניתן לשאול שאלות כגון, לדוגמה, כמה מהתאים המריחים בננה מריחים גם לימון. טכניקות מיקרופלואידיקה ומיקרו-דפוס אלו הן למעשה פשוטות למדי, והסיבה לכך שהן לא אומצו באופן נרחב יותר בביולוגיה של תאים, לדעתי, היא ההבדל התרבותי בין מהנדסים לביולוגים. ביולוגים הם בדרך כלל מעט רגזנים, אם לא בעלי "אלרגיה", לטכנולוגיה חדשה, ומהנדסים בדרך כלל אינם מומחים בביולוגיה של תאים או בביולוגיה באופן כללי.ואני מאמין שבעתיד הקרוב נראה ביולוגים שלא יצטרכו עוד לדפוק על הדלת של מישהו כמוני. הם יוכלו לתכנן מכשיר פשוט ולהעביר את התכנון למפעל לייצור שבבים, כמו למשל Alu foundry, והמכשיר יישלח אליהם בחזרה באמצעות FedEx תוך יום או יומיים, כך שיהיה להם קל מאוד להוציא את הניסוי אל הפועל בעצמם.

biomems-and-cellular-biology-perspectives-and-applications

Research

JoVE Journal

Biology

ביולוגיה

שימוש Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) לפתח כלים לאבחון

מיקרו בקנה מידה הנדסה לביולוגיה של התא

BioMEMS: Forging שיתופי פעולה חדשים בין ביולוגים ומהנדסים

חלקים גנטיים מאופיינים היטב נחוצים לתכנון מעגלים גנטיים חדשים. כאן אנו מתארים שיטה חסכונית ובעלת תפוקה גבוהה לאפיון מהיר של חלקים גנטיים. השיטה שלנו מפחיתה עלויות וזמן על ידי שילוב ליזטים נטולי תאים, DNA ליניארי למניעת שיבוט וטיפול בנוזלים אקוסטיים כדי להגדיל את התפוקה ולהפחית את נפחי התגובה.

אפיון מהיר של חלקים גנטיים עם מערכות נטולות תאים

הפרוטוקול הנוכחי מתאר תכנון, ייצור ואפיון של מערכת מיקרופלואידית המסוגלת ליישר, לשתק ולדחוס במדויק מאות עוברי Drosophila melanogaster עם התערבות מינימלית של המשתמש. מערכת זו מאפשרת הדמיה ברזולוציה גבוהה ושחזור של דגימות לניתוח לאחר גירוי וניתן לשנות את קנה המידה שלה כך שיתאים למערכות ביולוגיות רב-תאיות אחרות.

מכניסטימולציה של אורגניזמים רב-תאיים באמצעות מערכת דחיסה מיקרופלואידית בעלת תפוקה גבוהה

גיוון השומנים בממברנה במבנה ובהרכב הוא תורם חשוב לתהליכים תאיים ויכול להיות סמן למחלות. סימולציות של דינמיקה מולקולרית מאפשרות לנו לחקור ממברנות ואת יחסי הגומלין שלהן עם ביומולקולות ברזולוציה אטומית. כאן, אנו מספקים פרוטוקול לבנייה, הפעלה וניתוח של מערכות ממברנות מורכבות.

מידול ממברנות מציאותי באמצעות תערובות שומנים מורכבות במחקרי סימולציה

ההצלחה של תעתיק חד-תאי/חד-גרעיני ומולטי-אומיקה תלויה במידה רבה באיכות התאים/גרעינים. לכן, בידוד תאים/גרעינים מרקמה וטיהורם חייבים להיות סטנדרטיים ביותר. פרוטוקול זה מתאר את הכנת הגרעינים מהמוח וממח העצם לבדיקת מולטיום-גרעינים חד-גרעיניים במורד הזרם.

הכנה איכותית של גרעיני מוח ומח עצם לבדיקות מולטיום של גרעינים בודדים

ביולוגיה של הקהילות מיקרוביאלית - ראיון

פרספקטיבות על המוח

וידאו זה מראה כיצד להשתמש חולץ לתכנות לעשות pipettes תיקון אלקטרודות חדה electrophysiology. הפרוצדורה זהה ניתן להשתמש כדי ליצור מגוון של כלי זכוכית, כולל הזרקה ומחטים.

ביצוע Patch ו-pipettes אלקטרודות שארפ עם פולר לתכנות

חקור מערכות BioMEMS ומיקרוזרימה לחקר תאים בעצבנות באמצעות מיקרופלואידיקה מתקדמת. שיטות אלו מאפשרות סימולציה מדויקת של תנאים פיזיולוגיים אמיתיים במעבדה.

BioMEMS וביולוגיה נייד: היבטים ויישומים

גלה סרטונים נוספים