התקן מיקרופלואידי דו-שכבתי לייצור תקע קומבינטורי
1 בדצמבר 2023
הייצור של התקן דו-שכבתי מבוסס פולידימתילסילוקסאן (PDMS) לייצור ספריות קומבינטוריות בתחליבים של מים בשמן (תקעים) מוצג כאן. החומרה והתוכנה הדרושים לאוטומציה של ייצור תקעים מפורטים בפרוטוקול, ומודגם גם ייצור ספרייה כמותית של תקעים פלואורסצנטיים.
אנו בקבוצת ביולוגיה מערכתית לאונקולוגיה משתמשים בגישה חישובית וניסויית משולבת כדי לפענח את המנגנון המורכב המעצב את המיקרו-סביבה של הגידול. אנו משתמשים במודלים מתמטיים המבוססים על נתונים קליניים וביולוגיה של סרטן כדי לזהות גורמים המשפיעים על תגובת הפרט לטיפול במטרה הסופית לשפר את האונקולוגיה המדויקת. בהתחשב באופי ההטרוגני והדינמי של תגובת הגידול לטיפול, ביולוגיית ההפרעה הראתה את הפוטנציאל להתגבר על המגבלה של סמנים ביולוגיים גנומיים.
הגישה שלנו כוללת חשיפת תאי גידול קולטים למסך תרופתי אנטי-סרטני נרחב כדי לזהות תכונות פנוטיפיות של גידולים על מנת לקבוע טיפולים אנטי-סרטניים יעילים יותר. מיקרופלואידיקה היא טכנולוגיה רבת ערך המסייעת בניתוח כמות קטנה של דגימה כגון ביופסיה של הגידול על ידי הפצתה לתאים בודדים כגון טיפות או תקעים. זה גם מאפשר שליטה על הרכב של כל תקע, ובכך ליצור אוכלוסיות מרובות של תקעים שונים מבחינה כימית.
אנו מציגים כאן מכשיר מבוסס PDMS מלא שבו זרימת הנוזל מווסתת על ידי שסתומי רעידת אדמה המופעלים בלחץ, המאפשרים ייצור מהיר, מבוקר וניתן לתכנות של אוכלוסיות תקע נפרדות. יתר על כן, מכיוון ששסתומי הרעידה מבוססים גם הם על PDMS, ניתן לשלב אותם בצורה חלקה בייצור המכשיר. שילוב נתונים המתקבלים מבדיקות סקר קומבינטוריות של תפוקת עיניים של תאים סרטניים עם מודלים מתמטיים יאפשר לנו לחקור מסלולי איתות המווסתים את התנהגות המיקרו-סביבה של הגידול.
מחקר זה יסלול את הדרך לאסטרטגיות חדשות לאונקולוגיה מדויקת, ויספק את הרציונל להתאים אישית את הטיפול לחולים בודדים.
סקירה כללית
מאמר זה מציג את הייצור של התקן דו-שכבתי מבוסס PDMS שנועד להכנת ספריות קומבינטוריות בתחליבי מים-בתוך-שמן. הפרוטוקול מפרט את החומרה והתוכנה הדרושות לאוטומציה של ייצור טיפות (plugs) ומדגים את יצירתה של ספרייה כמותית של טיפות פלואורסצנטיות.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מיקרופלואידיקה
- סריקה קומבינטורית
- ביולוגיה של הסרטן
רקע
- מיקרו-סביבת הגידול היא מורכבת ודינמית.
- אונקולוגיה מותאמת אישית (Precision oncology) שואפת להתאים את הטיפול על בסיס תגובות אינדיבידואליות.
- מיקרופלואידיקה מאפשרת ניתוח של דגימות קטנות על ידי יצירת תאים נפרדים.
- התקני PDMS מאפשרים זרימה מבוקרת של נוזלים לייצור יעיל של פלאגים (plugs).
מטרת המחקר
- פיתוח מכשיר לייצור אוכלוסיות פלאגים (plugs) נבדלות למחקר סרטן.
- שילוב נתונים ניסויים עם מודלים מתמטיים להבנה טובה יותר של התנהגות גידולים.
- שיפור אסטרטגיות לאונקולוגיה מדייקת.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- ייצור התקן מיקרופלואידי מבוסס PDMS.
- שימוש בשסתומי Quake המופעלים בלחץ לוויסות נוזלים.
- ייצור אוטומטי של פלאגים (plugs) באמצעות בקרת תוכנה.
- יצירה של ספרייה קומבינטורית של פלאגים פלואורסצנטיים.
תוצאות עיקריות
- ספרייה כמותית של פלאגים (plugs) הופקה בהצלחה.
- המכשיר הדגים ויסות יעיל של זרימת נוזלים.
- שורטטה אינטגרציה של מודלים מתמטיים עם נתונים ניסיוניים.
- נדו יישומים פוטנציאליים באונקולוגיה מדויקת.
מסקנות
- ההתקן מבוסס ה-PDMS הוא כלי בעל ערך למחקר סרטן.
- הוא מאפשר ייצור של אוכלוסיות פלאגים (plugs) נבדלות כימית.
- גישה זו עשויה להוביל לאסטרטגיות משופרות לטיפול בסרטן.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ייצור פלאגים (plugs) קומבינטוריים בתפוקה גבוהה באמצעות התקני מיקרופלואידיקה דו-שכבתיים מאפשר סריקה מהירה וניתנת לתכנות של תגובות לתרופות בדגימות מוגבלות המופקות ממטופלים. טכנולוגיה זו נותנת מענה לאתגר של יצירת תאי תגובה כמותיים ונבדלים כימית לצורך סריקה פנוטיפית וניתוח מסלולים באונקולוגיה. השילוב שלה עם מידול חישובי תומך בביטחון חיזוי ובצמצום סיכונים מכניסטיים בנקודות מפנה קריטיות בתהליך הגילוי.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשר הפרעה שיטתית של תאי גידול כדי לבחון היפותזות טיפוליות ולהבהיר מסלולי איתות.
- תומך בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי יצירת סביבות כימיות מגוונות לצורך תיקוף פונקציונלי של מטרה.
- מסייע בביטחון חיזוי בבחירת מטרה באמצעות תוצרי סריקה כמותיים ומרובי-רכיבים (multiplexed).
סריקה ופיתוח בדיקה (Assay)
- מכין מערכות ביולוגיות ממוזערות ומאומתות עבור תהליכי סינון בסריקה רחבה (high-throughput screening) בהמשך הדרך.
- מספק אוכלוסיות פלאגים (plug populations) סטנדרטיות וניתנות לשחזור, בעלות הרכב וכמות שניתן לתכנת.
- מאפשר פיתוח בדיקות (assays) אוטומטי וניתן להרחבה לצורך הערכה אמינה של תרכובות והרחבת ספריות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מסנכרן סריקה קומבינטורית עם מערכות רלוונטיות למחלה באמצעות ביופסיות של גידולים המופקות ממטופלים.
- שומר על המשכיות תרגומית (translational continuity) משלב הגילוי ועד לתיקוף פרה-קליני באמצעות שילוב של נתונים ניסויים וחישוביים.
- מספק הפחתת סיכונים מכניסטית (mechanistic de-risking) לאסטרטגיות של אונקולוגיה מותאמת אישית על ידי מיפוי תגובות פנוטיפיות לתרופות.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת נתונים
פלטפורמה מיקרופלואידית דו-שכבתית זו מתאימה לשלבים החל מהגילוי המוקדם, דרך זיהוי מועמדים לתרופות (lead identification) ועד למחקר פרה-קליני, ובמיוחד במסלולי פיתוח המתמקדים באונקולוגיה.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת היפותזות ובבירור מסלולים ביולוגיים על ידי מתן אפשרות לניסויי הפרעה מבוקרים במדורות בנפח ננו-ליטר.
- סריקה: מספק ספריות plug מוכנות לבדיקה וניתנות לשחזור עם פלטים כמותיים לצורך ניתוח השוואתי.
- אנליטיקה: מספקת מדידות כמותיות בעלות תוכן גבוה להשוואה סטטיסטית של תגובות לתרופות ופעילויות של מסלולים ביולוגיים.
- מחקר טרנסלציונלי: מגשר בין שלבי הגילוי לשלבים הפרה-קליניים על ידי מתן אפשרות לשימוש ישיר בדגימות ממקור מטופלים בסריקות קומבינטוריים.
- שימוש חוזר ארגוני: מציע פלטפורמה ניתנת לתכנות ולהרחבה, הניתנת להתאמה לצרכים מגוונים של סריקה ופיתוח בדיקות בתחומים טיפוליים שונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף של מטרות ומסלולים.
- ערך תפעולי: מבצע סטנדרטיזציה ואוטומציה של ייצור פלאגים (plugs) לצורך הדירות ויכולת הרחבה בתהליכי סריקה.
- ערך אסטרטגי: משפר את איכות קבלת ההחלטות לגבי המשך התהליך (go/no-go) ואת יעילות ההון על ידי מתן אפשרות להפקת נתונים רב-ערוצית (multiplexed) ואמינה.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתיעדוף מותאם-סיכון ובקידום מועמדים על בסיס נתונים כמותיים של סריקה פנוטיפית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בייצור התקנים מיקרופלואידיים ובזרימת נוזלים מונעת לחץ.
- נדרש שילוב של חומרה ניתנת לתכנות, תוכנה ותשתית אנליטית להפעלה אוטומטית.
- דורש סטנדרטיזציה בין-צוותית של קידוד הרכב הפלאגים וניהול נתונים.
- ניתן להתאמה למערכות מודל שונות, אך עשוי לדרוש אופטימיזציה עבור סוגי תאים או ריאגנטים שונים.
- יש לתקף את מגבלות הלחץ התפעוליות ואת ספי הש activates של השסתומים עבור כל יישום.
