BioMEMS e Biologia Cellulare: prospettive e applicazioni

Sono Albert Falk. Sono professore all'Università di Washington a Seattle e lavoro sulla vasta area dei biomi, che sta per biomedical micro electromechanical systems. Lavoriamo sulla microfluidica e ci concentriamo sulle applicazioni nella biologia cellulare, principalmente nelle neuroscienze.

Uno degli obiettivi del laboratorio è cercare di superare i limiti della tecnologia tradizionale delle colture cellulari. Se si osserva il modo in cui i biologi cellulari studiano le cellule in una capsula di Petri, si noterà immediatamente che le cellule sono immerse in un terreno di coltura cellulare omogeneo, e sono anche sedute su una superficie omogenea. Tuttavia, nel corpo le cellule non si trovano su una superficie omogenea.

Non sono immersi in un mezzo omogeneo. In realtà sono esposti a una varietà di segnali che cambiano nello spazio e nel tempo, spesso sotto forma di gradienti, e sono circondati da una matrice di tipo gel. Ci sono anche alcune limitazioni pratiche quando si studiano le cellule in una capsula di Petri, è necessaria un'incubatrice, che è un'attrezzatura grande e costosa.

In genere, i biologi vogliono studiare un sacco di condizioni diverse. Vogliono studiare le cellule in a, diciamo in una coltura cellulare A e in una coltura cellulare B. C'è molta variabilità nel modo in cui le cellule rispondono a questi composti. In genere i biologi mettono le cellule su diverse piastre di Petri e forse lo fanno in triplice copia e poi studiano una serie di condizioni, quindi finiscono per usare molta coltura cellulare, terreno, molte forniture, molte piastre, e questo richiede molto spazio.

Quindi abbiamo cercato di miniaturizzare tutto questo, e questo è un aspetto. Inoltre, lo scambio di questo e l'inserimento delle cellule e lo scambio del terreno di coltura cellulare, richiedono molto pipettaggio. Cioè, è molto costoso in termini di quantità di tempo e personale che comporta, e anche la quantità di fluidi che devono essere inseriti dentro e fuori dalla capsula di Petri.

Un'altra limitazione è che per riempire tutte le superfici con le celle, è necessario utilizzare un gran numero di celle, e questo spesso richiede il sacrificio di molti animali. E può anche essere, può essere costoso solo a causa del nu i numeri puri. Quindi la linea di fondo è che le tecniche tradizionali finiscono per costare un sacco di soldi.

Sono molto costosi, sia in termini di tempo e personale necessario per utilizzarlo per implementare qualsiasi esperimento, sia in termini di rese pratiche, i biologi finiscono per scendere a compromessi sul numero di superfici che ci sono, o le condizioni sono in fase di studio. E quindi si occupa di dati statisticamente molto deboli. Le conclusioni di un tipico studio biologico sono molto qualitative per gli standard ingegneristici, e così finisce, finisce che tutti questi studi non sono scalabili.

Quindi, e questo sta diventando un grosso problema ora con l'era dell'area del genoma, in cui le persone vogliono studiare un gran numero di condizioni, molte variabili, e trovare nuove variabili, nuovi fenomeni cellulari che possono essere rivelati solo studiando un gran numero di cellule e condizioni. Quindi le tecniche di micro fabbricazione ci danno diversi vantaggi che sfruttiamo per diversi motivi. Ci sono vantaggi in primo luogo, da un punto di vista fondamentale, allo stesso modo in cui in microelettronica i transistor funzionano meglio, funzionano meglio perché sono più piccoli.

Anche qui abbiamo, costruiamo dispositivi che accedono a scale che sono dell'ordine dell'oggetto oggetto da studiare, che sono celle. La tecnologia di microfabbricazione può superare questi limiti, non in un modo, ma in molti modi per una volta. Consente di sondare singole celle in numero molto elevato.

Questo vi dà immediatamente conclusioni molto quantitative. Inoltre, ti consente di fare esperimenti economici. Inoltre, questi sistemi sono molto economici da fabbricare, nel senso che è possibile realizzare molti dispositivi al prezzo di uno.

Inoltre, sono economici da gestire perché sono facili, sono molto suscettibili all'automazione. Quindi questi, questi vantaggi del basso costo di fabbricazione e del basso costo di esercizio si traducono in implementazioni commerciali di grande successo. E infine, questi sono anche molto, questi sistemi sono molto suscettibili di progettazione quantitativa.

Questo è molto importante perché in questo modo possiamo modellare il comportamento di, diciamo, un dispositivo microfluidico o la fabbricazione di una superficie e sapere esattamente come funzionerà. E poi torniamo indietro, noi, questo è fatto facendo la modella. Non andiamo ancora al laboratorio.

E poi, dopo che tutto funziona in teoria, andiamo in laboratorio e lo implementiamo e risparmiamo un sacco di tempo. Quindi una delle principali tecnologie che utilizziamo nel nostro laboratorio si chiama litografia morbida e si tratta di tecniche di famiglia, di tecniche sorelle sviluppate da George Whiteside ad Harvard fin dai primi anni Novanta. E si basano sulla replicazione e lo stampaggio di un materiale, un elastomero trasparente chiamato PolimetilSloane, o i biologi PDMS lo conoscono con il suo nome commerciale è S Guard 180 4 fabbricato da do Corning.

Ed è essenzialmente la gomma trasparente è un, è un dispositivo. Puoi piegarlo ed è, come ho detto, può essere modellato, può essere inserito ripetutamente da uno stesso stampo con ciò che è costoso da fabbricare è lo stampo. E, ma il materiale, lo compriamo a secchiate.

È, è, sai, non è molto costoso. Poi è anche molto biocompatibile. È, si possono anche seminare cellule su di esso, su di esso.

Viene utilizzato negli impianti. E anche un altro grande vantaggio è che è trasparente e questo è molto, molto importante per una microscopia biologica, che, come sapete, è un metodo di analisi molto importante negli studi biologici. E la procedura di stampaggio, come potete vedere nei video del laboratorio, è molto, molto semplice, molto diretta.

Si tratta solo di mescolare due componenti. E sai, chiunque può farlo. È come cucinarlo e metterlo in forno.

Anche mio figlio, che ha quattro anni, è venuto in laboratorio e ha fatto la gomma. E quindi è davvero semplice. La microfluidica è lo studio del comportamento dei fluidi.

In, in piccoli canali, come sapete, non si può gettare un sasso sott'acqua. Questo perché tu, le, le forze, le, le forze di attrito tra la pietra e l'acqua sono molto grandi rispetto alla forza che impartisci su di essa. Qualcosa di un po' simile accade in piccolo ch in un piccolo canale dove, per il, il, la situazione è al contrario.

L'acqua è l'oggetto che si muove e le pareti che lo circondano impartiscono molto attrito su di esse a causa dell'elevato rapporto superficie/volume nei microcanali, le pareti hanno un effetto molto forte. E quindi queste forze inerziali sono molto piccole rispetto alle forze viscose e all'attrito causato dalle pareti. Quindi, poiché le forze viscose dominano, la turbolenza non si verifica mai nei microcanali, quindi quello che abbiamo è un regime di flusso noto come flusso laminare perché il fluido scorre all'interno, in fogli.

E qui viene mostrato un esempio in cui diversi flussi non sono in grado di mescolarsi perché scorrono fianco a fianco. Non c'è turbolenza che accelera la miscelazione come accade quando si guida una tazza di caffè. Ora, poiché le forze viscose dominano ed è molto difficile avere turbolenza nel microcanale, ciò significa che due flussi che si fondono in un canale non si mescoleranno, quindi si mescoleranno solo per diffusione molto lentamente.

Ora sfruttiamo questa proprietà per esporre diverse parti di una popolazione cellulare o anche una singola cellula a fluidi diversi. E il motivo per cui lo facciamo è perché è così che accade in vivo. All'interno dell'organismo, le cellule sono esposte a gradienti di sostanze e molte volte in modo molto transitorio.

Quindi, poiché sappiamo esattamente, possiamo modellare anche il comportamento dei fluidi nel, la, la diffusione delle diverse sostanze nel flusso del fluido, sappiamo quale costante, quali contro, a quale concentrazione è esposta la cellula e quale parte della cellula è esposta a quale concentrazione. Questo ci permette di fare studi molto quantitativi sull'esposizione delle cellule a una particolare sostanza. Come esempio di come il flusso laminare può essere utilizzato per studiare le cellule, abbiamo un progetto in laboratorio, in cui stiamo tirando una cellula muscolare a pensare che sia stata inalata da un neurone.

Quindi, durante lo sviluppo, quello che succede è che il nervo a un certo punto arriva al muscolo e secerne una sostanza chiamata arina che è coinvolta nella nascita della sinapsi. E quindi quello che stiamo facendo è qualcosa di concettualmente molto semplice. Mettiamo le cellule muscolari in un dispositivo e lo esponiamo a un flusso che contiene rin solo nella parte centrale del flusso.

Questo ci permette di fingere che il dispositivo sia il nervo e che le cellule muscolari che si trovano nel dispositivo siano il vero muscolo durante lo sviluppo. Un altro esempio in cui la microfluidica è molto potente è lo studio della guida degli assoni. Qui, l'idea è quella di utilizzare il fatto che sappiamo, possiamo prevedere molto bene come il fluido si diffonde in a, in, in piccoli volumi per produrre gradienti di sostanze.

E durante lo sviluppo, i gradienti sono responsabili, in parte responsabili, del modo in cui le cellule nervose trovano i loro bersagli. Quindi abbiamo cercato di riprodurlo all'interno di una capsula di Petri. All'interno di un microcanale, l'olfatto è un affascinante sistema di sensori.

I neuroni nel naso, diciamo dei topi, ognuno esprime un solo tipo di recettore olfattivo ciascuno. Ci sono circa un migliaio di diversi geni del recettore olfattivo in m nei topi. E ogni recettore si lega a una serie di odori e ogni odina si lega a diversi recettori.

E per farci credere che il modo in cui rileviamo gli odori sia, in modo combinatorio, la ricerca tradizionale di fazione, è difficile trovare corrispondenze tra un gran numero di odoranti e un dato recettore o qualsiasi odorante e un gran numero di recettori. E questo perché è molto difficile esporre un dato neurone o un neurone sensoriale a una serie di odori e, e viceversa, dato che qualsiasi odorante è molto difficile esporre tutti i neuroni nell'epitelio olfattivo. Quindi il nostro approccio è stato quello di prendere l'epitelio olfattivo e tagliarlo in cellule dissociate in singole cellule e metterle su un array in un grande microarray di micro pozzetti, una cellula per micro.

Beh, e in un campo visivo abbiamo tipicamente decine di migliaia di neuroni che immaginiamo con l'imaging del calcio e osserviamo i modelli di attivazione di questi neuroni, di questa grande quantità di neuroni per odori e gruppi di OD. E questo ci permette di essere sicuri che per ogni dato odore e che scegliamo, stiamo guardando l'intero spazio dei recettori olfattivi. C'è, sai, almeno uno o pochi recettori rappresentati su quell'array.

E in questo modo sappiamo che possiamo fare domande come, ad esempio, quante delle cellule che sentono l'odore della banana stanno anche sentendo l'odore del limone. Queste tecniche di microfluidi e micro patterning sono in realtà abbastanza semplici e il motivo per cui non sono state adottate più ampiamente dalla biologia cellulare, credo sia a causa di una differenza culturale tra ingegneri e biologi. I biologi sono di solito un po' riluttanti, se non allergici, alle nuove tecnologie e gli ingegneri di solito non sono molto abili in biologia cellulare o biologia in generale.

E quello che vedremo, credo, nel prossimo futuro è che i biologi non avranno bisogno di bussare alla porta di qualcuno come me. Saranno in grado di progettare un semplice dispositivo e portare il progetto a una fonderia come la fonderia di alluminio e saranno FedExed di nuovo il dispositivo, in un giorno o due e sarà molto facile per loro implementare l'esperimento da soli.