יישומים Microfluidic עבור אבחון פנויה

שמי קתרין קלאודברידג' ואני פרופסור לייצור, הנדסה והנדסה ביו-רפואית באוניברסיטת בוסטון. ואני מנהל המעבדה למיקרו-התקנים ביו-רפואיים ומיקרו-סביבות. אנו עובדים בעיקר על ביצוע אבחון חד פעמי ליישומים בסביבות מוגבלות במשאבים.

אז אנחנו משתמשים במיקרופלואידיקה כדי לייצר את המכשירים האלה. אנחנו מתעניינים למעשה בשני תחומי מחקר. בעיקר אנו מעוניינים להסתכל על האופן שבו ביומולקולות ותאים מתקשרים עם משטחי פולימר מפלסטיק.

זו המטריה העיקרית שלנו. עבודה זו מגולמת ביישומים מיקרופלואידיים לאבחון חד פעמי. אז במעבדה, מה שאנחנו מייצרים הם מכשירים מיקרופלואידיים.

בחומרים תרמופלסטיים שאיננו משתמשים בהם, משתמשים בדרך כלל ב-PDMS, שהוא החומר הגומי שרוב האנשים משתמשים בו לייצור מיקרופלואידיקה במעבדה. אנחנו מייצרים את המכשירים שלנו מתרמופלסטיים. אנחנו מעוניינים להשתמש במכשירים התרמופלסטיים האלה כדי לבצע ביולוגיה מולקולרית בקנה מידה מיקרו באופן כזה שהביולוגיה המולקולרית תוכל להיעשות בשטח הרחק ממעבדה ריכוזית.

איך זה מסתדר במעבדה אנחנו מייצרים כרטיסי פלסטיק קטנים ובתוך כרטיסי הפלסטיק הקטנים האלה יש עמודות מיצוי פאזה מוצקה או עמודות ליזה של תאים או עמודות ערבוב. אנו גם מבצעים תגובת שרשרת פולימראז על השבב כטכניקת זיהוי. כל הדברים הללו משולבים במכשיר קטן שבסופו של דבר, במבט ארוך טווח של המחקר, בסופו של דבר יהיה מכשיר משולב שיהיה מסוגל להיות מוחזק ביד ולבצע אותו בשטח או בסביבות שבהן מעבדה בקנה מידה גדול עם כל המרכזים המטפלים, היתוך וחממות חימום וכן הלאה לא תהיה זמינה.

אז היינו רוצים להיות מסוגלים להתחיל באופן אידיאלי עם דגימה אנושית כמו צואת שתן דם או ספוגית אף-לוע, למשל, שתהיה ריר. ואז בפלט השבב יש תשובה אם כן או לא, מישהו נגוע במיקרואורגניזם מסוים. והדרך לעשות זאת היא על ידי חיפוש הדנ"א של אותו רנ"א מסוים, תלוי במיקרואורגניזם של המיקרואורגניזם המסוים בדגימה של המטופל.

אז האתגרים הטכניים שמגיעים הם בעיקר בצד הכנת הדגימה של המשוואה הזו. אז כשאתה מתחיל עם דם או צואה או שתן, אתה צריך להגיע ממצב שבו יש לך דגימה אנושית מבולגנת עם הרבה חלקיקים פוטנציאליים בתוכה או מעכבים ל-PCR או טכניקות הגברה אחרות. ואתה רוצה לסיים את הסוף עם דגימה נקייה מאוד של חומצות גרעין שתוכל להשתמש בה כדי להגביר או לחפש דנ"א או רנ"א מסוים שיגיד לך אם היה שם מיקרואורגניזם שאתה מחפש.

אז כדי לנקות את הדוגמאות האלה, אתה צריך לעשות כמה דברים. ראשית, עליך לסנן את הדגימה, אשר בהתאם לדגימה, יכולה לכלול סינון מסלול או שלב סיבוב מהיר לפני שהדגימה עוברת על השבב. לכן אנחנו תמיד מנסים להתחיל עם דגימות כפי שהן מגיעות מהרופא.

אז עם שתן וצואה וספוגיות אף-לוע, המטרה שלנו היא פשוט לגרום לקלינאי לעשות את עבודתו כמו שהוא עושה בדרך כלל ולקחת את הדגימה כמו שהוא עושה בדרך כלל. ואז אנחנו לוקחים את הדגימה הזו ומניחים אותה על השבבים. אז אם צריך לעשות סינון נוסף בשלב הזה, הסינון הזה יתרחש בשבב.

השלב השני כולל, מכיוון שאנו מבצעים בדיקות מולקולריות, עלינו לבצע ליזה של התאים והמיקרואורגניזמים שנמצאים בדגימה זו. אז לאחר מכן אנו מבצעים שלב ליזה, שבדרך כלל כולל אילוץ הדגימה דרך מסנן בעל גודל נקבוביות קטן. לפעמים המסנן הזה מכיל בתוכו גם ננו-חלקיקים כמו ננו-צינורות פחמן, שיש להם קצוות חדים, שיכולים לשמש כדי לקרוע חלק מהאורגניזמים שיש להם דפנות תאים חזקות יותר כמו C difficile, שהוא חיידק גרם חיובי שאנו עובדים איתו, שקשה מאוד לקלוט אותו.

אז אנחנו צריכים עמודי ליזה חזקים יותר. אבל בדרך כלל אנחנו מבצעים ליזה כימית ומכנית משולבת בתוך השבב. לאחר מכן, המטרה שלנו היא לקחת את הליזאט ואז לחלץ את חומצות הגרעין המטוהרות.

אז אנחנו מעבירים את הליזיס, אנחנו מעבירים את הליזאט מעל עמודת מיצוי פאזה מוצקה שמהדהדת בשבב המיקרופלואידי. ועמודת מיצוי הפאזה המוצקה הזו עשויה מפלסטיק והיא מיוצרת באמצעות כימיה יזומה בתוך התעלה המיקרופלואידית לאחר שהיא כבר מיוצרת. והוא גם ספוג בדרך כלל בחלקיקי סיליקה מכיוון שאנו רוצים לקשור ולשחרר חומצות גרעין.

במקרים מסוימים, שילבנו חרוזי DT של אוליגו אם אנו רוצים לקשור ולשחרר mRNA באופן ספציפי, למשל, או חרוזים שיש עליהם נוגדנים מסוימים, אם אנו רוצים לקשור ולשחרר חלבונים מסוימים. ואנחנו יכולים ליצור עמודות חילוץ שעושות את כל הדברים האלה. אבל היום נראה לך איך לעשות את עמוד מיצוי הסאסה עם חרוזי הסיליקה.

אז אחרי שעשינו את זה, מעבירים את הליזאט מעל עמוד הסיליקה, זה עובד בדיוק כמו שערכת קיוגן תעבוד במעבדה בקנה מידה מאקרו. לאחר מכן אנו שוטפים כדי להיפטר מכל הדברים האחרים שאיננו רוצים, כל הפחמימות והשומנים ושאר הדברים בתא הליזאט ובשאר הדגימה האנושית שאיננו רוצים. ואז ממש בסוף, אנחנו רומזים עם מים.

ומה שנחמד בעמודות מיצוי הפאזה המוצקה בקנה מידה מיקרו הוא שאנו יכולים לפלוט כמות קטנה מאוד של מים, בדרך כלל בסדר גודל של 1 עד 5 מיקרוליטר. ואנחנו מקבלים בחזרה כמעט את כל חומצות הגרעין שהכנסנו. יש לנו שיעור יעילות של 70 עד 90% ו-10 המיקרוליטרים הראשונים שאנחנו מקבלים בחזרה מהערוץ הזה.

כך שאם נשטוף פעמיים עם 2 עד 10 מיקרוליטר, נקבל בחזרה כמעט את כל חומצות הגרעין ששמנו שם. אז זה לא רק דגימה נקייה שיכולה ל-PCR, זו גם דגימה מרוכזת הרבה יותר ממה שתוכל לקבל עם ערכת ספסל רגילה. אז המטרה הסופית של כל טכניקות הכנת הדוגמאות הללו היא ליצור דברים שתואמים לחלק מהעבודות האחרות שאנשים עשו.

עבודה נחמדה מאוד בשטח שמראה שאפשר לעשות הגברת PCR על שבב. אתה יכול לבצע את תגובת הטרנסקריפטאז ההפוכה על שבב אם אתה מתמודד עם וירוס RNA או אם אתה רוצה לעשות ניסוי ביטוי גנים. ניתן לשלב את טכניקות הכנת הדגימה שלנו ישירות עם PCR על שבב, כך שלא תצטרך לעשות שום דבר מהניקוי והכנת הדגימה על הספסל.

וגם, וגם את שלב הריכוז שתצטרך לעשות כדי להשיג את הנפחים הזעירים הדרושים לביצוע PCR מרובה על שבב קטן. אז הניסויים שנראה לכם היום מראים כיצד אנו מרכיבים את השבב המיקרופלואידי, שעשוי מתרמופלסטי ולא מ-PDMS. אז זה דורש תהליך ייצור קצת שונה ממה שמשתמשים בו בדרך כלל, איך השבבים האלה נאטמים.

ואז איך אנחנו עושים את הכימיה המופעלת על ידי האור בתוך השבב כדי ליצור את המונוליטים הפולימריים המשמשים גם לליזה של תאים וגם למיצוי פאזה מוצקה. ובסוף התהליך הזה, שכרגע הם תהליכים מודולריים במעבדה, אבל הם יכולים להיות משולבים, לתת לך בסוף דגימה מרוכזת מאוד של חומצות גרעין, RNA ו-DNA במים, שיכולה לרדת במורד הזרם למודול PCR או מודול הגברה אחר שבו יכול להתרחש זיהוי של מיקרואורגניזם או זיהום. אז למעשה יש לנו מענק שאנחנו עובדים עליו עכשיו היכן שיש לנו, אנחנו מתחילים לאסוף דגימות אנושיות מהמרכז הרפואי של בוסטון מחולים שאולי נדבקו בשפעת או לא A.So מכיוון שזו עונת השפעת, אלה הדגימות שאנחנו אוספים.

ואז במעבדה, אנחנו מבצעים את מבחני תקן הזהב כדי לבדוק אם מישהו נדבק בשפעת A או לא, שהיא בעצם בדיקת תרבית, שלוקח כמה ימים לבצע. ולצד זה, אנחנו מעבירים את הדגימות הללו דרך המודולים של השבב שלנו, ממש עכשיו. אז אנחנו מכניסים אותם דרך עמודת הליזיס, אנחנו מעבירים אותם דרך עמודת מיצוי הפאזה המוצקה, ואז אנחנו מבצעים את ה-PCR כדי לראות עד כמה אנחנו מצליחים בהשוואה לשיטות תקן הזהב.

אז זה השלב שאנחנו נמצאים בו כרגע. אם הניסויים האלה יצליחו, אני חושב שבמהלך ארבע עד שש השנים הבאות, אולי נהיה במצב שבו יהיה לנו שבב משולב ובדיקה מלאה לשפעת A וגם אנחנו עובדים על קלוסטרידיום דיפיצילה ודגימות צואה. ואנחנו, אנחנו, אנחנו גם קרובים מאוד לא רק לשילוב המכשיר, אלא גם לשילוב הבדיקה.

אז גם פיתוח הבדיקה וגם עיצוב השבב צריכים להתרחש יד ביד. אז עבור יישום מסוים, להגיע לצד המיטה, זה באמת תהליך מוכוון מטרה. אתה צריך לדעת, אתה יודע, את הדגימה שאתה מתחיל איתה ואת המיקרואורגניזם שאתה מחפש כדי לייעל את השבב לשימוש ליד המיטה.

אז אני, אני לא חושב שאנחנו כל כך רחוקים מלגרום לזה לקרות בצורה של אב-טיפוס. אלה המטרות הסופיות שלנו, אז אני מקווה שנגיע לשם.