Name: BioMEMS e Biologia Cellulare: prospettive e applicazioni (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: Esplora le applicazioni dei sistemi BioMEMS e della microfluidica per studiare le cellule in ambienti più realistici. Queste tecnologie migliorano la cultura cellulare tradizionale e avanzano la ricerca in neuroscienza.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

biomems e biologia cellulare: prospettive e applicazioni

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

La capacità di cellule di cultura ha rivoluzionato la verifica delle ipotesi nella cella di base e ricerca di biologia molecolare. E &#39;diventato una metodologia standard per lo screening di stupefacenti, tossicologia e analisi cliniche, ed è sempre più utilizzato nella medicina rigenerativa. Tuttavia, la tradizionale metodologia di coltura cellulare consistenti essenzialmente l&#39;immersione di una grande popolazione di cellule in un mezzo fluido e omogeneo su un substrato omogeneo piatto è diventato sempre più limitante, sia dal punto di vista fondamentale e pratico. Tecnologie di microfabbricazione hanno permesso ai ricercatori di progettare, con controllo micrometrico, la composizione biochimica e della topologia del substrato, e la composizione media, nonché il tipo di cellula vicina nel microambiente circostante cellulare. Inoltre, microtecnologia è concettualmente molto adatto per lo sviluppo di veloce, a basso costo nei sistemi in vitro che consentono high-throughput coltura e l&#39;analisi di cellule in un gran numero di condizioni. In questa intervista, spiega Albert Folch queste limitazioni, come possono essere superati con litografia soft e microfluidica, e descrive alcuni esempi significativi della ricerca nel suo laboratorio e le direzioni future.

BioMEMS e Biologia Cellulare: prospettive e applicazioni

La capacità di coltivare cellule ha rivoluzionato la verifica delle ipotesi nella ricerca di biologia cellulare e molecolare di base. È diventata una metodologia standard in ...

Sono Albert Falk. Sono professore all'Università di Washington a Seattle e lavoro in ambito biomedico sui microsistemi elettromeccanici, noti come biomes. Lavoriamo sulla microfluidica, con un focus sulle applicazioni in biologia cellulare, principalmente in neuroscienze.Uno degli obiettivi del laboratorio è cercare di superare i limiti della tecnologia tradizionale di coltura cellulare. Se osservate il modo in cui i biologi cellulari studiano le cellule in vitro, in una piastra di Petri, noterete immediatamente che le cellule sono immerse in un mezzo di coltura cellulare omogeneo e si trovano anche su una superficie omogenea. Tuttavia, nel corpo le cellule non si trovano su una superficie omogenea.Non sono immerse in un mezzo omogeneo. Sono invece esposte a una varietà di segnali che cambiano nello spazio e nel tempo, spesso sotto forma di gradienti, e sono circondate da una matrice di tipo gelatinoso. Esistono anche alcune limitazioni pratiche nello studio delle cellule in una piastra di Petri: è necessario un incubatore, un apparecchio di grandi dimensioni e costoso.Tipicamente, i biologi desiderano studiare un insieme di condizioni diverse. Vogliono analizzare le cellule in, diciamo, una coltura cellulare A e una coltura cellulare B. Esiste una notevole variabilità nella risposta delle cellule a questi composti. Pertanto, i biologi di solito posizionano le cellule in diverse piastre di Petri, magari in triplicato, e poi esaminano una serie di condizioni, arrivando così a utilizzare una grande quantità di colture cellulari, mezzo di coltura, materiale di consumo e piastre, il che richiede molto spazio.Stiamo quindi cercando di miniaturizzarlo, e questa è una delle sue aspettative. Inoltre, il cambio del mezzo e l'inserimento delle cellule, nonché il rinnovo del mezzo di coltura cellulare, richiedono molte operazioni di pipettaggio. Ciò risulta molto costoso in termini di tempo e personale necessari, oltre che per la quantità di liquidi che devono essere aggiunti e rimossi dalla piastra di Petri.Un’altra limitazione è che, per riempire tutte le superfici con cellule, è necessario utilizzare un elevato numero di cellule, il che spesso richiede il sacrificio di molti animali. Inoltre, può risultare costoso proprio a causa dell’elevato numero di esemplari. Pertanto, in definitiva, le tecniche tradizionali si rivelano molto onerose. Sono molto costosi, sia in termini di tempo che di personale necessario per utilizzarli ed eseguire un esperimento, e anche in termini di resa pratica; i biologi finiscono per ridurre il numero di superfici o di condizioni analizzate. Di conseguenza, si ottengono dati statisticamente molto deboli. Le conclusioni in uno studio biologico tipico sono molto qualitative secondo gli standard ingegneristici, e pertanto tutti questi studi non risultano scalabili.Pertanto, e questo sta diventando un grosso problema nell'era del genoma, in cui le persone desiderano studiare un gran numero di condizioni, molte variabili, e individuare nuove variabili, nuovi fenomeni cellulari che possono essere rivelati solo analizzando un elevato numero di cellule e condizioni. Le tecniche di microfabbricazione ci offrono diversi vantaggi che sfruttiamo per motivi differenti. Vi sono innanzitutto vantaggi da un punto di vista fondamentale, analoghi a quelli per cui nella microelettronica i transistor funzionano meglio perché sono più piccoli.Qui inoltre abbiamo, costruiamo dispositivi che accedono a scale dell'ordine dell'oggetto in esame, ovvero le cellule. La tecnologia di microfabbricazione può superare questi limiti, non in un solo modo, ma in molti modi contemporaneamente. Consente infatti di analizzare singole cellule in numeri molto elevati.Questo consente immediatamente conclusioni molto quantitative. Inoltre, permette di eseguire esperimenti a basso costo. Inoltre, questi sistemi sono molto economici da produrre, poiché è possibile realizzare molti dispositivi al prezzo di uno solo.Inoltre, sono economici da gestire perché sono semplici e particolarmente adatti all'automazione. Di conseguenza, questi vantaggi derivanti dai bassi costi di fabbricazione e di esercizio portano a realizzazioni commerciali di notevole successo. Infine, questi sistemi si prestano molto bene a una progettazione di tipo quantitativo.Questo è molto importante perché in questo modo possiamo modellare il comportamento, diciamo, di un dispositivo microfluidico o della fabbricazione di una superficie e sapere esattamente come funzionerà. Poi torniamo indietro, e questo viene fatto mediante modellazione. Non andiamo ancora in laboratorio.E poi, una volta che tutto funziona in teoria, andiamo in laboratorio e lo mettiamo in pratica, risparmiando molto tempo. Una delle principali tecnologie che utilizziamo nel nostro laboratorio si chiama litografia morbida ed è una famiglia di tecniche, o tecniche sorelle, sviluppate da George Whiteside a Harvard a partire dai primi anni '90. Tali tecniche si basano sulla replicazione e sulla stampatura di un materiale, un elastomero trasparente chiamato polidimetilsilossano, o PDMS, noto ai biologi con il nome commerciale Sylgard 184, prodotto da Dow Corning.E fondamentalmente la gomma trasparente è un dispositivo. Puoi piegarla e, come ho detto, può essere modellata, può essere riprodotta più volte da un unico stampo; ciò che è costoso da realizzare è lo stampo stesso. Ma il materiale, lo compriamo a secchi.Non è, non è, sai, non è molto costoso. Inoltre, è altamente biocompatibile. Puoi persino seminare cellule su di esso, su di esso.Viene utilizzato negli impianti. E un altro grande vantaggio è che è trasparente, il che è molto, molto importante per la 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 semplice e diretta.Si tratta semplicemente di mescolare due componenti. E sai, chiunque può farlo. È come cucinare e infornare.Persino mio figlio, che ha quattro anni, è venuto in laboratorio e ha effettivamente prodotto della gomma. È davvero semplice. La microfluidica è lo studio del comportamento dei fluidi.In canali piccoli, come sapete, non è possibile lanciare un sasso sott'acqua. Questo perché le forze di attrito tra il sasso e l'acqua sono molto elevate rispetto alla forza che gli impartite. Qualcosa di simile accade in un canale ridotto, dove però la situazione è invertita.L'acqua è l'oggetto in movimento e le pareti circostanti esercitano su di essa una notevole frizione a causa dell'elevato rapporto superficie-volume nei microcanali, dove le pareti hanno un effetto molto intenso. Di conseguenza, le forze inerziali sono molto piccole rispetto alle forze viscose e all'attrito generato dalle pareti. Poiché le forze viscose dominano, la turbolenza non si verifica mai nei microcanali; si ha quindi un regime di flusso noto come flusso laminare, poiché il fluido scorre in strati.E un esempio è mostrato qui, in cui flussi diversi non riescono a mescolarsi perché scorrono uno accanto all'altro. Non c'è turbolenza che acceleri il mescolamento, come avviene quando si mescola una tazza di caffè. Poiché ora le forze viscose dominano e risulta molto difficile generare turbolenza nel microcanale, ciò significa che due flussi che si uniscono in un unico canale non si mescoleranno, ma si mescoleranno soltanto molto lentamente per diffusione.Ora sfruttiamo questa proprietà per esporre diverse parti di una popolazione cellulare o persino una singola cellula a fluidi diversi. E il motivo per cui lo facciamo è perché è proprio così che avviene in vivo. All'interno dell'organismo, le cellule sono esposte a gradienti di sostanze e molto spesso in modo altamente transitorio.Pertanto, poiché conosciamo con precisione il comportamento dei fluidi e possiamo modellare persino la diffusione delle diverse sostanze nel flusso fluido, sappiamo a quale costante, a quale concentrazione la cellula è esposta e quale porzione della cellula è esposta a una determinata concentrazione. Ciò ci consente di effettuare studi molto quantitativi sull'esposizione delle cellule a una sostanza specifica. A titolo di esempio su come il flusso laminare possa essere utilizzato per studiare le cellule, nel laboratorio stiamo portando avanti un progetto in cui stiamo effettivamente cercando di indurre una cellula muscolare a credere di essere innervata da un neurone.Quindi, durante lo sviluppo, ciò che accade è che il nervo, in un certo momento, raggiunge il muscolo e secerne una sostanza chiamata arin, coinvolta nella formazione della sinapsi. Quello che stiamo facendo è quindi qualcosa di concettualmente molto semplice. Poni cellule muscolari in un dispositivo ed esponile a un flusso che contiene rin soltanto nella porzione centrale del flusso.Questo ci permette di simulare il nervo con il dispositivo e le cellule muscolari nel dispositivo come il muscolo reale durante lo sviluppo. Un altro esempio in cui la microfluidica risulta molto potente è nello studio dell'orientamento dell'assone. In questo caso, l'idea consiste nel sfruttare il fatto che, in volumi ridotti, conosciamo e possiamo prevedere con grande precisione come i fluidi si diffondono, per generare gradienti di sostanze.E durante lo sviluppo, i gradienti sono responsabili, almeno in parte, del modo in cui i neuroni raggiungono le loro destinazioni. Quindi stiamo cercando di riprodurre questo fenomeno all'interno di una piastra di Petri. All'interno di un microcanale, il senso dell'olfatto rappresenta un sistema sensoriale affascinante.I neuroni nel naso, diciamo dei topi, esprimono ciascuno un solo tipo di recettore olfattivo. Ci sono circa mille geni diversi di recettori olfattivi nei topi. Ogni recettore si lega a una serie di odoranti e ogni odorante si lega a diversi recettori.E così riteniamo che il modo in cui percepiamo gli odori avvenga in maniera combinatoria; tuttavia, nella tradizionale ricerca sui recettori, risulta difficile trovare corrispondenze tra un elevato numero di odoranti e un recettore specifico, o tra un singolo odorante e un ampio numero di recettori. Questo perché è molto difficile esporre un determinato neurone, o un neurone sensoriale specifico, a una serie di odoranti, e viceversa, esporre tutti i neuroni nell’epitelio olfattivo a un determinato odorante. Pertanto, il nostro approccio è consistito nel prelevare l’epitelio olfattivo e suddividerlo in cellule singole, dissociandolo, per poi posizionarle su un array costituito da una grande microschiera di micropozzetti, con una cellula per ogni micropozzetto.Beh, in un campo visivo abbiamo tipicamente decine di migliaia di neuroni che immaginiamo mediante l'imaging del calcio, e analizziamo i modelli di attivazione di questi neuroni, di questa grande quantità di neuroni, in risposta a odoranti e a gruppi di odori. Questo ci permette di essere certi che, per qualsiasi odore specifico che scegliamo, stiamo osservando l'intero spazio dei recettori olfattivi. C'è, insomma, almeno un recettore o pochi recettori rappresentati in quell'array.E in questo modo sappiamo di poter porre domande del tipo: quanti tra le cellule che percepiscono l'odore della banana percepiscono anche quello del limone, ad esempio. Queste tecniche di microfluidica e di micropatterning sono in realtà piuttosto semplici, e il motivo per cui non sono state adottate più ampiamente dalla biologia cellulare, secondo me, è dovuto a una differenza culturale tra ingegneri e biologi. I biologi di solito sono un po' restii, se non addirittura allergici, alle nuove tecnologie, mentre gli ingegneri di solito non sono molto esperti in biologia cellulare o in biologia in generale.E ciò che vedremo, credo, nel prossimo futuro sono biologi che non dovranno più bussare alla porta di qualcuno come me. Saranno in grado di progettare un dispositivo semplice e portare il progetto in una fonderia come alu foundry, ricevendo il dispositivo a casa tramite FedEx in un giorno o due, e sarà molto semplice per loro eseguire l'esperimento autonomamente.

biomems-and-cellular-biology-perspectives-and-applications

Research

Ricerca

JoVE Journal

Biology

Biologia

Utilizzando Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) per sviluppare strumenti diagnostici

Micro-scala di Ingegneria di biologia cellulare

BioMEMS: Fucinatura nuove collaborazioni tra biologi e ingegneri

Parti genetiche ben caratterizzate sono necessarie per la progettazione di nuovi circuiti genetici. Qui descriviamo un metodo economico e ad alto rendimento per caratterizzare rapidamente le parti genetiche. Il nostro metodo riduce costi e tempi combinando lisati privi di cellule, DNA lineare per evitare la clonazione e manipolazione acustica dei liquidi per aumentare la produttività e ridurre i volumi di reazione.

Caratterizzazione rapida di parti genetiche con sistemi cell-free

Il presente protocollo descrive la progettazione, la fabbricazione e la caratterizzazione di un sistema microfluidico in grado di allineare, immobilizzare e comprimere con precisione centinaia di embrioni di Drosophila melanogaster con un intervento minimo da parte dell'utente. Questo sistema consente l'imaging ad alta risoluzione e il recupero di campioni per l'analisi post-stimolazione e può essere scalato per adattarsi ad altri sistemi biologici multicellulari.

Meccanostimolazione di organismi pluricellulari attraverso un sistema di compressione microfluidica ad alta produttività

La diversità dei lipidi di membrana nella struttura e nella composizione è un importante contributo ai processi cellulari e può essere un marcatore di malattia. Le simulazioni di dinamica molecolare ci permettono di studiare le membrane e le loro interazioni con le biomolecole a risoluzione atomistica. Qui forniamo un protocollo per costruire, eseguire e analizzare sistemi a membrana complessi.

Modellazione realistica delle membrane utilizzando miscele lipidiche complesse negli studi di simulazione

Il successo della trascrittomica e della multiomica a singola cellula/singolo nucleo dipende in gran parte dalla qualità delle cellule/nuclei. Pertanto, l'isolamento di cellule/nuclei dai tessuti e la loro purificazione devono essere altamente standardizzati. Questo protocollo descrive la preparazione di nuclei dal cervello e dal midollo osseo per il test multioma a singolo nucleo a valle.

Preparazione di nuclei cerebrali e del midollo osseo di alta qualità per saggi multiomi a nucleo singolo

Biologia delle comunità microbiche - Intervista

Prospettive sulla Neuroscienze

Questo video mostra come utilizzare un estrattore programmabile per rendere pipette cerotto e gli elettrodi taglienti per elettrofisiologia. La stessa procedura può essere usato per fare una varietà di strumenti in vetro, tra cui aghi da iniezione.

Rendendo Patch-pipette e Elettrodi Sharp con un estrattore programmabile

Esplora le applicazioni dei sistemi BioMEMS e della microfluidica per studiare le cellule in ambienti più realistici. Queste tecnologie migliorano la cultura cellulare tradizionale e avanzano la ricerca in neuroscienza.

BioMEMS e Biologia Cellulare: prospettive e applicazioni

Esplora altri video