BioMEMS: Forging שיתופי פעולה חדשים בין ביולוגים ומהנדסים
1 בנובמבר 2007
שמי ניולי ג'ון ואני מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת קליפורניה, ארווין. המחקר שלי עוסק בפיתוח מכשירים ביו-רפואיים חדשניים ומכשירים מיקרו-פלואידיים למחקרי מדעי המוח ותאי גזע. מיקרו-פלואידיקה היא תחום חדש יחסית שהתפתח במהלך חמש עד עשר השנים האחרונות, והיא משתמשת ברבות מהטכניקות והמומחיות שפותחו עבור תעשיית המעגלים המשולבים.
מה שאנו עושים הוא להשתמש בשיטות ובגישות המיניאטוריזציה שפותחו עבור מעגלים משולבים כדי לייצר התקנים קטנים עם תעלות ומאגרים קטנים, ולהשתמש בהם עבור יישומים בביולוגיה של התא. באופן מסורתי, רוב הניסויים הביולוגיים בוצעו בקנה מידה של צלחת פטרי. לכן, עבור התאים, כאשר בוחנים תא, שקוטרו הוא כ-10 microns, למעשה יש לנו תא קטן הטבול בנפח גדול של נוזל.
באמצעות התקנים מיקרופלואידיים, אנו יכולים לשלוט בסביבות סביב התא. התקשורת בין תא לתא, כמו גם השפעתם של גורמים ממיסים, ניתנות לבקרה מדויקת הרבה יותר מאשר ביצוע הניסוי בקנה מידה גדול יותר בצלחת פטרי. לכן, פיתוחים חדשים אלו בתחום המיקרופלואידיקה מבטיחים רמה גבוהה של שליטה והדירות בהשוואה לשיטות קונבנציונליות.
המחקר שלנו בשימוש במכשירים מיקרופלואידיים לחקר הגירה של תאים כולל פיתוח מכשירים חדשים המסוגלים לשמר מדרג (gradient) קבוע של גורמים מסיסים מעל התאים, כך שנוכל לבחון כיצד התאים מגיבים לגורמי גדילה או כימוקינים שונים. דבר זה דורש בקרה מדויקת של זרימת נוזלים מעל קבוצה של תאים או תאים בודדים, דבר שהוא חשוב ויסודי ברוב התהליכים הביולוגיים, כגון מורפוגנזה, גרורות של סרטן ותגובה של תאי מערכת החיסון. בדומה לאותם מכשירים מיקרופלואידיים ליצירת מדרגים, פיתוח מכשירים לגידול נוירונים, ובמיוחד נוירונים של המחשב (com neurons), מהווה פיתוח חדש בתחום המיקרופלואידיקה.
באמצעות התקנים אלו, אנו יכולים לבודד ולטהר פראקציות אקסונליות וכן להשיג מבנים מקוטבים מאוד. במקרה זה, בהשוואה לבדיקות קונבנציונליות כגון void and chambers, שבהן היה לעיתים קושי למנוע דליפות וקשיים ניסיוניים אחרים, התקנים מיקרו-פלואידיים מציעים תוצאות הניתנות לשחזור רב יותר באופן כללי, ובמקביל מספקים פלטפורמה תואמת-אופטית המאפשרת ביצוע מיקרוסקופיה ברזולוציה גבוהה.
מכשיר זה משמש לביצוע ניסויים לבחינת אופן התרחשותו של הובלה אקסונלית. באמצעות מכשיר תרבית נוירונלית מיקרופלואידי חדש זה, רבים מהשותפים למחקר שלנו ברחבי המדינה בוחנים מודלים שונים של מחלות ניווניות של מערכת העצבים, כגון מחלת אלצהיימר, מחלת פרקינסון ו-ALS. היה לי מזל רב לשתף פעולה עם שותפים מצוינים במחלקות למדעי המוח ופתולוגיה כאן ב-UC Irvine. אני משתף פעולה באופן הדוק עם Car Kaman Stewart, Ed Monki והמעבדה של Lisa Flanagan.
שיתופי הפעולה שלנו כוללים פגישות קבועות בניסיון לזהות את הבעיות עימן מתמודדים הביולוגים. בפגישות קבועות אלו, אנו מגלים שלמרות קיומם של כלים קונבנציונליים זמינים, עדיין קיימים יישומים רבים שבהם אנו, כמהנדסים ביו-מדיים, יכולים לתרום תפקיד משמעותי בשיפור ובהבנה של המחקר הביו-מדי. כך למשל, שיתוף הפעולה שלנו עם המעבדה של ד"ר Monki וד"ר Flanagan במהלך חמש השנים האחרונות היה פורה מאוד.
ראשית, הסטודנטים שלנו יכולים ללמוד כיצד לעבוד בשיתוף פעולה הדוק עם קבוצות ממקצועות מדעיים שונים. ובמקביל, זכינו להתמודד עם בעיות בביולוגיה של תאי גזע. לדוגמה, גידול והבדלה של תאי גזע בתוך מכשירים מיקרופלואידיים הציעו נקודת מבט חדשה על האופן שבו תאי גזע מתנהגים במודל של גרדיאנט של מורפוגן כגון BMP.
ואני חושב שסוג זה של שיתוף פעולה יהיה חלק חשוב מהמדע בעתיד, ככל שיותר ויותר מהנדסים יגלו עניין במחקר ביו-רפואי. ובמקביל, כאשר הצורך בכלים חדשים בעלי יכולות חדשות בתחומי מדעי העצבים ומדעי הביולוגיה האחרים גדל, אני צופה שיהיו שיתופי פעולה פוריים רבים שיקדמו משמעותית את תחום המחקר הביו-רפואי. יתר על כן, אני חושב שתחום המיקרופלואידיקה והביו-ממסים נמצא בשלב מרגש.
מפותחים יישומים חדשים רבים כמעט מדי יום. אני צופה שבעוד חמש שנים יהיו הרבה יותר ביולוגים שישתמשו בסוגי מכשירים אלו למחקר יוממי, לניסויים שגרתיים, לבדיקת נדידת תאים או למטרות מיוחדות אחרות. מכיוון שמכשירים אלו מציעים יתרונות רבים לעומת שיטות מסורתיות המבוססות על תרביות בצלחות פטרי, אני סבור שהדמיון הוא הגבול היחיד לפיתוח סוגים חדשים של יישומים.
ואני מאמין ששיתוף פעולה הדוק עם ביולוגים יוביל לפיתוח סוגים חדשים של מכשירים, אשר ימלאו תפקיד משמעותי בהתקדמות עתידית של המחקר הביו-רפואי.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
ג'ון מ-University of California Irvine דן במחקרו בפיתוח מכשירים ביו-רפואיים ומיקרו-פלואידיים חדשניים עבור מחקר בתחומי מדעי המוח ותאי הגזע. תחום מתפתח זה רותם טכניקות מתעשיית המעגלים המשולבים ליצירת מכשירים ממוזערים ליישומים בביולוגיה של התא.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- הנדסה ביו-רפואית
- מדעי המוח
- מיקרופלואידיקה
רקע
- מיקרופלואידיקה היא דיסציפלינה צעירה שהתפתחה במהלך העשור האחרון.
- היא עושה שימוש בשיטות מתעשיית המעגלים המודפסים.
- ניסויים ביולוגיים מסורתיים משתמשים בדרך כלל בקנה מידה גדול יותר, כגון צלחות פטרי.
- תאים מושרים לרוב בנפחים גדולים של נוזלים, דבר שעלול להגביל את הדיוק הניסיוני.
מטרת המחקר
- פיתוח מכשירים קטנים בעלי תעלות ומאגרים עבור יישומים בביולוגיה של התא.
- שיפור הדיוק של ניסויים הכוללים תאים קטנים.
- בחינת הפוטנציאל של מיניאטוריזציה במחקר ביו-רפואי.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- פיתוח מכשירים ביו-רפואיים חדשניים.
- יישום של טכניקות מיקרופלואידיקה.
- ניצול שיטות מיניאטוריזציה ממעגלים משולבים.
- תכנון ניסויי המתמקד ביישומים ביולוגיים בקנה מידה קטן.
תוצאות עיקריות
- יצירת התקנים המסוגלים לתמרן נפחים קטנים של נוזלים.
- יכולת משופרת לביצוע ניסויים בקנה מידה מיקרוסקופי.
- פוטנציאל לשיפור התוצאות במחקרי מדעי המוח ותאי גזע.
- הדגמת היתרונות של מערכים ניסיוניים ממוזערים.
מסקנות
- התקנים מיקרופלואידיים מייצגים התקדמות משמעותית במחקר ביולוגי.
- מיניאטוריזציה יכולה להוביל לניסויים מדויקים ומבוקרים יותר.
- פיתוח נוסף בתחום זה עשוי לחולל מהפכה במדעי המוח וביישומים של תאי גזע.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
מכשירים מיקרופלואידיים מאפשרים בקרה מדויקת על מיקרו-סביבות תאיות, ובכך פותרים אתגר מרכזי במדעי המוח ובמחקר תאי גזע, שבהם דגמי צלחות פטרי קונבנציונליים חסרים רזולוציה מרחבית וזמנית. טכנולוגיה זו תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים על ידי מתן אפשרות לבידוד פלואידי של מדורי האקסון והסומה, מה שמקל על מחקרי פגיעה ממוקדים ואיסוף של פרקציות טהורות לצורך אנליזות המשך. הפלטפורמה מגבירה את הביטחון החזוי בתיקוף מטרות ובפיתוח בדיקות (assays) על ידי שיפור השחזוריות ואפשרות להדמיה של תאים חיים ברזולוציה גבוהה.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של היפותזות טיפוליות באמצעות בידוד פלואידי של מדורי נוירונים, כדי לחקור תגובות ספציפיות למדורים אל מול גירויים מסיסים.
- ערך תפעולי: תומך בתיקוף פונקציונלי של מטרות על ידי שמירה של מבני נוירונים מקוטבים למשך עד 2-3 שבועות, מה שמאפשר הערכה אורכית של הובלה אקסית ודגנרציה.
- ערך חיזוי: משפר את רמת הוודאות במחקרי מעורבות מטרה (target engagement) על ידי הפחתת השונות הניסויית באמצעות בקרה מדויקת של המיקרו-סביבה ומדרגי זרימה הניתנים לשחזור.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מספקת פלטפורמה סטנדרטית להכנת מערכות ביולוגיות שעברו תיקוף עם הפרדה פלואידית, המאפשרת סריקה אמינה של תרכובות בתאים אקסונליים או סומטיים נפרדים.
- ערך תפעולי: משפרת את השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) של הבדיקה באמצעות חלקים פולימריים שעובדו ביציקה מדויקת, ותאימות למיקרוסקופיית DIC, ניגודיות פאזה, קונפוקלית ודו-פוטונית.
- תועלת הפלטפורמה: תומכת בניתוחים ביוכימיים המשכיים, כגון PCR על פרקציות אקסונליות טהורות, ובכך מגבירה את המוכנות לסריקה לצורך בירוק מטרה ומסלולים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- רלוונטיות תרגומית: מדמה פגיעה במערכת העצבים המרכזית (CNS) וניוון עצבי על ידי מתן אפשרות להגשה מקומית של רעלים או אגרגטים למדורי האקסונים למשך עד 20 שעות לאחר החלפת המצע.
- המשכיות פרה-קלינית: מגשר בין שלב הגילוי לתיקוף פרה-קליני על ידי מתן אפשרות לתרבית אורך (longitudinal culture) ואימונוציטוכימיה בנקודת זמן קבועה להערכת תוצאות מבניות ותפקודיות.
- קידום מותאם סיכונים: מסייע בקבלת החלטות go/no-go באמצעות אספקת מדדים כמותיים ספציפיים למדורים, המפחיתים עמימות מכניסטית במסלולי מטרה.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
פלטפורמת תרבית הנוירונים המיקרופלואידית משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת השערות דרך זיהוי מובילים ועד לתיקוף פרה-קליני, ובכך תומכת במחזורי תכנון-בדיקה איטרטיביים בפיתוח טיפולים נוירו-תרפויטיים.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת השערות על ידי מתן שליטה מרחבית-זמנית מדויקת של מדרגי גורמים ממיסיים, לצורך חקר כיmotaxis, מורפוגנזה ותגובות של תאי מערכת החיסון בפורמט רדוקציוניסטית.
- סריקה: מספקת מוכנות לבדיקה באמצעות תאים מבודדים פלואידית ותואמים אופטית, המאפשרים הערכה מקבילה של תרכובות ללא זיהום צולב.
- אנליטיקה: מייצרת מדידות כמותיות של משתנים תלויים, כגון עוצמת פלואורסצנציה אקסונלית, מהירות הובלה ופרופילים מולקולריים מבוססי PCR מתוך פראקציות מטוהרות.
- מחקר תרגומי: מתחברת לזרימות עבודה פרה-קליניות על ידי מידול מנגנוני פתולוגיה של ה-CNS, כגון דגנרציה אקסונלית וליקויי הובלה הרלוונטיים למחלות אלצהיימר ופרקינסון.
- שימוש חוזר ארגוני: משמשת כפלטפורמה לשימוש חוזר בין פרויקטים הודות להתאמתה לסוגים שונים של נוירונים, נגזרות של תאי גזע ובדיקות של גורמים ממיסיים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי בתיקוף המטרה על ידי הפחתת רעש ביולוגי ומאפשר הפחתת סיכונים מכניסטית באמצעות הפרעה ספציפית למדור.
- ערך תפעולי: מספק סטנדרטיזציה והדירות באמצעות יציקה מדויקת ובקרה פלואידית, תוך מזעור השונות בין בארות ובתוך ניסויים.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי הפחתת תוצאות חיוביות שגויות בסינון ראשוני והפחתת נשירה בשלבים מאוחרים הודות לדיוק ביולוגי גבוה יותר.
- השפעה על פורטפוליו: מאפשר תיעדוף מותאם סיכונים של מועמדים לטיפולים נוירו-תרפויטיים באמצעות פרופילי יעילות ורעילות מפוצלים לפי מדורים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בתכנון מיקרופלואידיקה, תרביות נוירונליות ודימוי תאים חיים כדי למטב את ייצור ההתקן ואת ההגדרה הניסיונית.
- תלוי בגישה לכלי ייצור מיקרופלואידיים, מערכות בקרת לחץ לבידוד הידרוסטטי ופלטפורמות מיקרוסקופיה תואמות.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית בין צוותי ההנדסה והביולוגיה להבטחת תפעול עקבי של ההתקן ופירוש נתונים אחיד.
- כולל שיקולי התאמה בעת הרחבה מעבר לנוירונים של ה-CNS לסוגי תאים אחרים, כגון תאי גזע או תאי מערכת החיסון, בשל תכונות היצמדות ונדידה שונות.
- מוגבל על ידי הצורך בטכניקה אספטית ובפרוטוקולים להחלפת מצע כדי לשמור על בידוד פלואידי לאורך תקופות תרבית ממושכות (2-3 שבועות).
