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

אני U De Mercy, אני החוקר הראשי של Bio Stick MAMs במעבדות לרפואה. עשיתי את הדוקטורט שלי באוניברסיטת סטנפורד בהנדסת חשמל. עשיתי פוסט-דוקטורט בבית הספר לרפואה של הרווארד ב-MGH ועבדתי על MAMs ביו-אקוסטיים או בעיקר על MAs ביו-אקוסטיים.

ועכשיו אני ממשיך כחבר סגל בבית הספר לרפואה של הרווארד ב-MIT למדעי הבריאות והטכנולוגיה. וממשיך במחקר שלי שאני נהנה ממנו מאוד. העבודה שעשיתי במהלך הדוקטורט שלי הייתה קשורה מאוד לטיפות ושימוש באקוסטיקה כדי לייצר טיפות בגודל מדויק ולשלוט במיקום ובמיקום שלהן כדי להפקיד פולימרים רגישים מאוד.

כעת אנו מיישמים טכנולוגיות דומות כדי לעטוף תאים בטיפות ואז למקם אותם על המשטחים ליישומים שונים בהנדסת רקמות כדי להדפיס תאים על המשטחים לתאי תבנית. כמו כן, ישנם יישומים שבהם אתה רוצה לראות שאתה יכול לעטוף כמה תאים או תא בודד או מאותה אוכלוסייה ולראות את ההבדלים בין אותה אוכלוסייה מתא אחד למשנהו שם היכולת לעטוף תאים בטיפות בשיעורי תפוקה גבוהים כמו 10,000 תאים לשנייה הופכת להיות חשובה מאוד ושימושית מאוד להבנת בעיות ביולוגיות. אז למחקר שלי יש כרגע שתי רגליים, הייתי אומר.

אחד מהם הוא עבודת אנקפסולציה של תאים שדיברתי עליה זה עתה. כיצד אנו אורזים תא בטיפה שהיא, וכיצד אנו יכולים לעשות זאת שוב ושוב ובאמינות ומבלי לפגוע בתאים? אז אחרי שהתא נפלט או עטוף בטיפה, אנחנו אמורים להיות מסוגלים למקם במדויק על משטח התא צריך להיות פונקציונלי וחי ובר קיימא.

היא לא אמורה להיפגע מהשפעות הפליטה וכן הלאה. אז כרגע יש לנו מערכת שבה אנחנו משתמשים בגלים ממוקדי טיפות אקוסטיות כדי לייצר את הטיפות האלה מבריכות פתוחות שבהן אנחנו יכולים לעטוף תאים בודדים בטיפות הקטנות האלה שדומות לגודל התא. זה מאוד מרגש במונחים של יישום זה בהדפסת תאים והנדסת רקמות.

הצד השני של המחקר שלי הוא שוב שימוש בטכנולוגיות המיקרו-אלקטרומכניות של MAMs כדי לפתח כלי אבחון בעלות נמוכה. לרוב המחקר הזה משתמש בגישות מיקרופלואידיות שבהן אנו יכולים להכניס דם מלא, נפחים קטנים מאוד כמו דם מדקירת אצבע, פחות מ-10 מיקרוליטר שאפשר להכניס לשבב. ומהדם הזה אנחנו יכולים לעטוף או ללכוד אוכלוסיות תת-תאיות מסוימות מדם מלא.

למה זה חשוב? למה זה צריך להיות זול ליישומי בריאות עולמיים על פסגת ההר באפריקה, אתה רוצה להיות מסוגל לדעת עבור חולה HIV, למשל, כמה לימפוציטים CD Four T יש לחולה הזה. מכיוון שארגון הבריאות העולמי אומר שמתחת ל-200 CD ארבעה תאים למיקרוליטר, אתה צריך להתחיל לטפל בחולים בעולם המפותח, אתה משתמש במאות אלפי דולרים של ציטומטרים של זרימת וורט כדי להיות מסוגל לקבל את הנתונים האלה.

וזה כמובן לוקח זמן להשתמש ומיומנות כמובן כדי להיות מסוגל להשתמש בהם כמו מכונות ענקיות בגודל שולחן. ניתן להכניס את השבב הקטן שלנו לבנת אצבע קטנה זו 10 מיקרוליטר של דם מלא והוא ילכוד את ארבעת תאי ה-CD באמצעות זיקות החלבון על פני השטח. ואז אתה יכול לספור במהירות את התאים האלה שנלכדים כי אתה יודע שיש תאי CD ארבעה שמחוברים לנוגדנים של CD ארבעה חלבונים על פני השבב.

על ידי שליטה בקצבי הזרימה והגזירה, אתה יכול לוודא שהספציפיות והיעילות עבור סוגי תאים אלה ממוטבים. וכמובן שתמיד יש קשירה לא ספציפית, אבל על ידי הגישות שלנו אנו ממזערים את ההשפעות הללו ומוודאים שבין פלוס מינוס 10% שגיאות, וזה מספיק כדי לקבל החלטה אבחנתית או פרוגנוסטית על פסגת ההר באפריקה. אז יש לזה יישומים מעניינים לבריאות העולמית, כמו גם הטכניקות הזולות הללו שהן חד פעמיות יכולות להשפיע על העולם המפותח מכיוון שעכשיו בדיקות הדם המהירות הללו שהן באמת בעלות נמוכה יכולות להשפיע על הבדיקות שאנו משתמשים בהן בעולם המפותח.

אם הם מותאמים לרמות גבוהות יותר של יעילות וספציפיות, מה שהנתונים הראשוניים שלנו מראים שהם יכולים להיות, אז זה בהחלט ישפיע על חיינו. כשסיימתי לראשונה את הדוקטורט שלי, ידעתי יותר על מיקרופלואידיקה ושב-MAMs יותר מכל דבר אחר שיכולתי לראות, במיוחד עם יישום הטיפות, יכולתי לראות שאם אוכל להדפיס תאים ולעטוף תאים או לתפעל את התאים המעטים, תאים בודדים, יהיו לזה יישומים נהדרים בתחום הביוטכנולוגיה. והייתי מאוד מעוניין לעבוד על דברים שבאמת ישפיעו על חייהם של אנשים.

נהגתי ליישם את הטכנולוגיות האלה בתעשיית המוליכים למחצה, אבל אז רציתי להיות שימושי ישירות לאנשים. אז אני, זה מה שכיוון אותי לבעיות בתחום הבריאות. ואז עשיתי שינוי גדול והגעתי לבית חולים, בית חולים כללי לפוסט-דוקטורט.

ושם, אתה יודע, נחשפתי יותר ויותר לבעיות וזה נראה, וזה ברור שאחת הבעיות הגדולות ביותר של העולם כיום היא הבריאות העולמית ויש מחלות כמו שחפת, HIV שהורג אלפי אנשים ביום. והאנשים האלה מתים לא בגלל שהתרופות לא שם, אלא בגלל שאין מספיק כלי אבחון שהם הרבה יותר יקרים מהתרופות הקיימות. אז אני מכיר היטב את הצד הטכנולוגי של הדברים.

נחשפתי לבעיות הביולוגיות וככל שלמדתי עליהן יותר, כך יכולתי לראות שאני יכול להשפיע. וכך הכל צמח משם. וזה עדיין נמשך עכשיו.

כמו שראיתי ביוטכנולוגיה וברפואה יש כל כך הרבה בעיות שלמעשה גורמות ישירות לאובדן חיים של אנשים והטכנולוגיות, ההיבט הטכנולוגי של זה והיכולת ליישם את זה על בעיות רפואיות בעולם האמיתי היא דרך נהדרת, אני חושב שללכת בה. זה כמו איך כל תחום הביוטכנולוגיה הזה לדעתי גדל וזה הופך להיות מאוד משפיע. אם אתה חושב על זה, סרטן HIV, אלה הם הרוצחים הגדולים בעולם.

וטכנולוגיות המיקרו הנוכחיות, הגישות הנוכחיות יכולות אולי להפיק תועלת מגילוי מוקדם של סרטן על ידי לכידת התאים האלה מהדם או הפיכתו לזול מאוד, מה שיהפוך אותו לזמין להמונים. אז כל הדברים האלה מתחברים יחד, אני חושב שכל יישומי המיקרו-טכנולוגיה האלה בבריאות וברפואה יכולים להשפיע על עתיד בני האדם. אז ככה כל הדברים האלה מתחברים אני מניח.

ולהיות במדעי הבריאות והטכנולוגיה של MIT בהרווארד, שם בקצה אחד יש לך את הטכנולוגיה ובקצה השני יש לך היבט ישיר, גישה ישירה למטופלים, גישה ישירה לרופאים בבית החולים בריגהם ונשים שבו אני עובדת זו סביבה נהדרת. כי לכל אדם שאתה מדבר איתו יש את הבעיות שלו ואתה יכול אולי לבוא מרקע אחר, לספק פתרונות מעניינים לבעיות הקיימות בעולם האמיתי. אז זהו, אני חושב שכך אני רואה את כל הפרספקטיבה של איך הבעיות הרפואיות הללו פוגשות את הצד הטכנולוגי.

ואנחנו מנסים להשפיע על חייהם של אנשים בצורה חיובית. באנקפסולציה של כובע תא בודד או באנקפסולציה של תאים, האתגר העיקרי הוא להיות מסוגל לעטוף תאים בודדים באופן אמין וחוזר על עצמו. אז אתה פולט 10,000 מאה אלף תאים בשנייה.

ואיך מוודאים שלכל טיפה שאתם פולטים יש תא אחד? הסטטיסטיקה הזו שבה אתה משנה את גודל הטיפה וממזער את, אופטימיזציה של גודל התא על פני גודל הטיפה, מה שנכנס לבעיה הישנה של אריזת כדורים בנפח ומהי הדרך היעילה ביותר לעשות זאת. אז זה האתגר הגדול ביותר בתחום הדפסת התאים מהצד הטכנולוגי.

ההיבט השני של זה הוא שעכשיו אתה יכול לומר להדפיס ולאתר במדויק את התאים האלה. כיצד תוכלו לייצר את הרקמות התלת-ממדיות הללו וכיצד תוכלו לשמור עליהן בחיים וכיצד תוכלו להשתיל אותן? מגיע הקצה הביולוגי של הבעיות שבו אתה רוצה עכשיו לחקות בדיוק את הרקמה.

יש לנו גישות עכשוויות כדי להיות מסוגלים להדפיס עינית, עינית לבלב, ולהיות מסוגלים להדפיס באמצעות תאי שריר חלק, רקמת שלפוחית השתן, המחקה ישירות את מה שיש בשלפוחית אנושית או אדומה, כך שנוכל ליצור את הרקמה הזו ולבדוק עד כמה היא מתפקדת בהשוואה לרקמות הטבעיות הקיימות בעולם האמיתי. אז זה האתגר העיקרי שאני מניח שעל ידי שימוש בטכנולוגיות החדשניות האלה, איך אתה יכול להפוך את הרקמה הזו לרקמה האידיאלית שניתן להחליף, שניתן להשתיל, זו הבעיה הגדולה ביותר מההתחלה מכיוון שהבקרה על תא בודד נותנת לך את היכולת לאתר אותם במדויק. ואז איך אתה מגדל את זה משם?

אז זה משהו שניתן להשתיל שם במקום שבו מגיעה ההשפעה של חיי אדם. אז זה הקצה הזה, מה האתגרים בצד של הנדסת הרקמות של הדברים באנקפסולציה הדרומית ובאבחון באמצעות מיקרופלואידיקה, האתגר הוא להיות מסוגל ללכוד תא מתוך מיליארדי תאים. זה כמו שיש לך חלקיק סוכר בפחית מלח ואתה מנסה לשלוף את חלקיק הסוכר הזה וזה כמו אחד למיליארד.

אז אתה, אתה מעבד מיקרוליטר למיליליטר של דם מלא ואתה רוצה להיות מסוגל באופן ספציפי ויעיל ללא בעיות טכנולוגיות כמו סתימה או בעיות ביולוגיות כמו קשירה לא ספציפית, אתה רוצה להיות מסוגל לבודד תא אחד מתוך מיליארד תאים במיקרוליטר אחד של דם מלא, יש לך כמה מיליוני תאים. ובמקרה של CD 4 T לימפוציטים במיקרוליטר אחד, אנחנו מחפשים בערך אלף תאים למיקרוליטר. אז זה כמו תא אחד מתוך אלף סוג של בעיה שבה הראינו שזה בר ביצוע.

אבל כשאתה רוצה לחפש תאי גידול במחזור הדם לסרטן, אז האתגר הופך לאחד למיליארד. אז לסיכום, האתגר הוא איך אנחנו לוכדים את התא האחד הזה מתוך מיליארדי תאים אחרים סביבו? ומהם ההיבטים הטכנולוגיים?

מהם קצבי הזרימה? מהו עיצוב המכשיר? מה, מהם קצבי הזרימה?

מה, מהם נפחי הדם שצריך לעבד ואיך אתה מוודא שהתאים שאתה לוכד הם אלה שבאמת רצית ללכוד? כל ההיבטים הללו יצרו את כל האתגר שניתן לסכם במשפט אחד, והוא איך ללכוד את התא הנדיר הזה מתוך מיליארד אחרים? אז זו באמת בעיה של מחט בערימת שחת, וזה מרגש.

ואני חושב שזה מניע את הטכנולוגיות קדימה כדי לטפל בבעיות הללו הוא האתגר הטכנולוגי הנוכחי. היכולת להביא אותם לרמה שבה הם עושים את העבודה שהם אמורים לעשות זה דבר אחד. ואז לקחת את זה לקליניקה ולהפוך אותו למוצר יש כל מיני מומחיות כמו היכולת להקים חברה, היכולת לרשום פטנט על הדברים האלה וכל ההיבטים האחרים האלה נכנסים לתמונה.

ואני חושב שאנחנו כמדענים בעיקר אין לנו את כל הכישורים האלה שלוקחים את המוצרים משולחן העבודה למוצרים. אז נכנסת שוב החשיבות של שיתופי פעולה עם אנשים בעלי רקע שונה. ויש הרבה טכנולוגיות שאני חושב שיכולות להיות מאוד משפיעות ושימושיות.

לפעמים הם לא מגיעים למרפאה או לשימוש המין האנושי כי זה פשוט לא קרה, לא היה הזמן הנכון או שהשפעות אחרות נכנסו לתמונה שדיברתי עליה זה עתה. או לפעמים אין קשר ישיר לכך שלא יכולת לראות שהטכנולוגיה באמת יכולה לפתור את הבעיה הזו. והאדם שמתמודד עם הבעיה, או נניח הביולוגים או אנשי הרפואה רגילים לעשות את זה בדרך אחת במשך שנים רבות.

והאנשים בצד הטכנולוגי, בעיקר אם אין לך התמקדות בביוטכנולוגיה, אינם מודעים לבעיות ברפואה. אז החיבור בין שני הצדדים האלה הוא מחקר בין-תחומי רציני. ואני חושב שבשנים האחרונות, כל הדגש הן ברמת ה-NIH והן ברמה שאנו רואים במעבדות המחקר ובאוניברסיטאות הוא לייצר מחקר בין-תחומי.

אז אנשים בסופו של דבר מקבלים דוקטורט שבו הם צריכים לדעת כמה תחומים. למשל, בשביל הדוקטורט שלי, הייתי צריך לדעת אקוסטיקה, הייתי צריך להכיר ממים, הייתי צריך לדעת מיקרופלואידיקה והייתי צריך ליישם את זה על פולימרים. אז עכשיו אתה רואה סוג של ידע עמוק מאוד בתחום אחד שבו היית צריך להכיר שלושה תחומים אחרים די טוב כדי להיות מסוגל לפתור את הבעיה הזו.

אז אני חושב שהתשובה היא במחקר בין-תחומי בשילוב עם אנשים עם כישורים עסקיים כדי להפוך אותו לזמין לשימוש האנשים, זה תהליך גדול וכמה חוסר יעילות שמגיעים במקומות מסוימים. לגרום לאחוז הנמוך הזה של העברת טכנולוגיה.