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

Sono U De Mercy, sono il ricercatore principale dei MAM Bio Stick nei laboratori di medicina. Ho fatto il mio dottorato di ricerca in ingegneria elettrica alla Stanford University. Ho svolto un post-dottorato presso la Harvard Medical School presso MGH lavorando su MAM bioacustici o principalmente MA bio

E ora sto continuando come docente presso la Harvard Medical School presso l'Harvard MIT Health Sciences and Technology. E continuando con la mia ricerca che mi piace molto. Il lavoro che ho svolto durante il mio dottorato di ricerca era molto legato alle goccioline e all'uso dell'acustica per generare goccioline di dimensioni precise e controllarne la posizione per depositare polimeri molto sensibili.

Ora applichiamo tecnologie simili per incapsulare le cellule in goccioline e poi posizionarle sulle superfici per varie applicazioni nell'ingegneria tissutale per stampare le cellule sulle superfici per modellare le cellule. Inoltre, ci sono applicazioni in cui si vuole vedere che è possibile incapsulare poche cellule o una singola cellula o dalla stessa popolazione e vedere le differenze tra la stessa popolazione da una cellula all'altra essere in grado di incapsulare le cellule in goccioline ad alte velocità di produzione come 10.000 cellule al secondo diventa molto importante e molto utile per comprendere i problemi biologici. Quindi la mia ricerca ha attualmente due gambe, direi.

Uno è questo lavoro di incapsulamento cellulare di cui ho appena parlato. Come possiamo impacchettare una cellula in una gocciolina che sia, e come possiamo farlo ripetutamente e in modo affidabile e senza danneggiare le cellule? Quindi, dopo che la cellula è stata espulsa o incapsulata nella gocciolina, dovremmo essere in grado di localizzare con precisione su una superficie in cui la cellula dovrebbe essere funzionale, viva e vitale.

Non dovrebbe essere danneggiato dagli effetti dell'espulsione e così via. Quindi attualmente abbiamo un sistema in cui utilizziamo onde acustiche focalizzate sulle gocce per generare queste goccioline da piscine aperte dove possiamo incapsulare fino a singole cellule in queste goccioline molto piccole che sono paragonabili alle dimensioni delle cellule. Questo è molto interessante in termini di applicazione di questo aspetto alla stampa cellulare e all'ingegneria tissutale.

L'altro lato della mia ricerca è ancora una volta l'utilizzo di queste tecnologie di sistemi micro elettromeccanici MAM per sviluppare strumenti diagnostici a basso costo. Per lo più questa ricerca utilizza approcci microfluidici in cui possiamo introdurre sangue intero, volumi molto piccoli come il sangue di una puntura del dito, meno di 10 microlitri che si possono introdurre in un chip. E da quel sangue possiamo incapsulare o si possono catturare alcune popolazioni subcellulari dal sangue intero.

Perché è importante? Perché questo dovrebbe essere economico per le applicazioni sanitarie globali In cima alla montagna in Africa, si vuole essere in grado di dire a un paziente con HIV, ad esempio, quanti linfociti T CD quattro ha questo paziente. Poiché l'Organizzazione Mondiale della Sanità afferma che al di sotto di 200 CD quattro cellule per microlitro, è necessario iniziare a trattare i pazienti Nel mondo sviluppato, si utilizzano centinaia di migliaia di dollari di citometri a flusso verticale per essere in grado di ottenere questi dati.

E ci vuole ovviamente tempo per usarlo e abilità ovviamente per essere in grado di usarli come macchine da tavolo enormi. Il nostro piccolo chip può essere introdotto in questo mattone da 10 microlitri di sangue intero e catturerà le quattro cellule CD utilizzando le affinità proteiche di superficie. E poi si possono contare rapidamente queste cellule che vengono catturate perché si sa che ci sono cellule CD quattro che sono attaccate agli anticorpi CD quattro proteine sulla superficie del chip.

Controllando le portate e il taglio, è possibile assicurarsi che la specificità e l'efficienza di questi tipi di celle siano ottimizzate. E naturalmente c'è sempre un legame non specifico, ma con i nostri approcci minimizziamo questi effetti e ci assicuriamo che tra più meno il 10% di errori, che sia sufficiente per prendere una decisione diagnostica o prognostica sulla cima della montagna in Africa. Quindi questo ha applicazioni interessanti per la salute globale, così come queste tecniche a basso costo che sono usa e getta possono avere un impatto sul mondo sviluppato perché ora questi esami del sangue veloci, che sono davvero a basso costo, possono avere un impatto sui test che usiamo nel mondo sviluppato.

Se sono ottimizzati per raggiungere livelli più elevati di efficienza e specificità, come i nostri dati iniziali dimostrano che possono essere, allora avranno sicuramente un impatto sulle nostre vite. Quando ho terminato il mio dottorato, sapevo di più sulla microfluidica e che nelle MAM più di ogni altra cosa che potevo vedere, specialmente con l'applicazione delle goccioline, potevo vedere che se potessi stampare cellule e incapsulare cellule o manipolare le poche cellule, singole cellule, avrebbe avuto grandi applicazioni nell'area delle biotecnologie. Ed ero molto interessato a lavorare su cose che avrebbero avuto un impatto sulla vita delle persone.

Applicavo queste tecnologie all'industria dei semiconduttori, ma poi volevo essere utile direttamente alle persone. Quindi, questo è ciò che mi ha indirizzato verso i problemi dell'assistenza sanitaria. E poi è per questo che ho fatto un grande cambiamento e sono venuto in un ospedale, un ospedale generale di massa per il post-dottorato.

E lì, sai, sono stato esposto sempre di più a problemi e sembra, ed è tutto chiaro, che uno dei più grandi problemi del mondo di oggi è la salute globale e ci sono malattie come la tubercolosi, l'HIV che uccide migliaia di persone al giorno. E queste persone muoiono non perché i farmaci non ci sono, ma perché non ci sono abbastanza strumenti diagnostici, il che è molto più costoso dei farmaci esistenti. Quindi conosco molto bene il lato tecnologico delle cose.

Sono stato esposto ai problemi biologici e più imparavo su di essi, più potevo vedere che potevo avere un impatto. Ed è così che tutto è cresciuto da lì. E continua ancora adesso.

Come ho visto la biotecnologia e la medicina ci sono così tanti problemi che in realtà causano direttamente il nostro risultato nella perdita della vita delle persone e delle tecnologie, l'aspetto tecnologico ed essere in grado di applicarlo ai problemi medici del mondo reale è un grande, penso che un percorso da seguire. Questo è il modo in cui l'intera area della biotecnologia penso stia crescendo e stia diventando di grande impatto. Se ci pensate, il cancro all'HIV è il grande killer del mondo.

E le attuali microtecnologie, gli attuali approcci potrebbero forse trarre vantaggio dalla diagnosi precoce del cancro catturando queste cellule dal sangue o rendendole davvero economiche, il che le renderà disponibili alle masse. Quindi, tutte queste cose insieme, penso che tutte queste applicazioni della microtecnologia nell'assistenza sanitaria in medicina potrebbero avere un impatto sul futuro degli esseri umani. Quindi è così che tutte queste cose si uniscono, immagino.

Ed essere nel MIT di Harvard scienze e tecnologie della salute dove da un lato hai la tecnologia e dall'altro lato hai l'aspetto diretto, l'accesso diretto ai pazienti, l'accesso diretto ai medici del Brigham and Women's Hospital dove lavoro è un grande ambiente. Perché ogni persona con cui parli ha i suoi problemi e potresti forse provenire da un background diverso, fornire soluzioni interessanti a questi problemi esistenti nel mondo reale. Quindi penso a come vedo l'intera prospettiva di come questi problemi medici incontrano il lato tecnologico.

E cerchiamo di avere un impatto positivo sulla vita delle persone. Nell'incapsulamento di singole cellule o nell'incapsulamento cellulare, la sfida principale è quella di essere in grado di incapsulare in modo affidabile e ripetibile singole cellule. Quindi si espelleno 10.000 centinaia di migliaia di cellule al secondo.

E come ci si assicura che ogni gocciolina espulsa abbia una singola cella? Questa statistica in cui si modifica la dimensione delle goccioline e si riduce al minimo la, ottimizzando la dimensione delle celle rispetto alla dimensione delle goccioline, che entra nel vecchio problema di impacchettare le sfere in un volume e qual è il modo più efficiente per farlo. Questa è la sfida più grande nel settore della stampa cellulare dal punto di vista tecnologico.

L'altro aspetto è che ora si può dire stampare e localizzare con precisione queste cellule. Come si possono generare questi tessuti tridimensionali e come si possono mantenere in vita e come si possono trapiantare? Arriva la fine biologica dei problemi in cui si vuole ora imitare esattamente il tessuto.

Abbiamo approcci attuali per essere in grado di stampare un occhiello, un occhiello del pancreas e per essere in grado di stampare utilizzando cellule muscolari lisce, un tessuto vescicale, imitando direttamente ciò che si trova nella vescica umana o rossa in modo da poter creare questo tessuto e testare le sue prestazioni rispetto ai tessuti nativi esistenti nel mondo reale. Quindi questa è la sfida principale, immagino, prendendo queste nuove tecnologie, come si può rendere questo tessuto ideale che può essere sostituito, che può essere trapiantato, questo è il problema più grande fin dall'inizio perché il controllo su singole cellule ti dà la possibilità di localizzarle con precisione. E poi come si fa a farlo crescere da lì?

Quindi è qualcosa di trapiantabile lì dove arriva l'impatto della vita umana. Da questo punto di vista, quali sono le sfide dal punto di vista dell'ingegneria tissutale nell'incapsulamento meridionale e nella diagnostica che utilizza la microfluidica, la sfida è quella di essere in grado di catturare una cellula da miliardi di cellule. È come se avessi una particella di zucchero in una lattina di sale e cercassi di estrarre quella particella di zucchero ed è come una su un miliardo.

Quindi, stai elaborando da microlitri a millilitri di sangue intero e vuoi essere in grado di farlo in modo specifico ed efficiente senza problemi tecnologici come l'intasamento o problemi biologici come il legame non specifico, vuoi essere in grado di isolare una cellula su miliardi di cellule in un microlitro di sangue intero, hai alcuni milioni di cellule. E per il caso dei quattro linfociti T CD in quel microlitro, stiamo cercando circa mille cellule per microlitro. Quindi è come una cellula su mille un tipo di problema in cui abbiamo dimostrato che è fattibile.

Ma quando si vuole andare a caccia di cellule tumorali circolanti per il cancro, allora la sfida diventa una su un miliardo. Quindi, per riassumere, la sfida è come possiamo catturare questa cellula tra miliardi di altre cellule intorno ad essa? E quali sono gli aspetti tecnologici?

Quali sono le portate? Qual è il design del dispositivo? Cosa, quali sono le portate?

Quali sono i volumi di sangue che devono essere processati e come ci si assicura che le cellule che si catturano siano quelle che si vogliono effettivamente catturare? Tutti questi aspetti hanno costituito l'intera sfida che può essere riassunta in una frase, ovvero come si fa a catturare questa cellula rara tra miliardi di altre? Quindi è davvero un problema da ago in un pagliaio, il che è eccitante.

E penso che questo stia facendo avanzare le tecnologie per affrontare questi problemi è l'attuale sfida tecnologica. Essere in grado di portarli a un livello in cui fanno il lavoro che dovrebbero fare è una cosa. E poi portarlo in clinica e trasformarlo in un prodotto ha tutte le diverse competenze, come essere in grado di avviare un'azienda, essere in grado di brevettare queste cose e tutti quegli altri aspetti entrano in scena.

E penso che noi, come scienziati, non abbiamo tutte quelle competenze che portano i prodotti dal desktop ai prodotti. Quindi torna in gioco l'importanza delle collaborazioni con persone che hanno background diversi. E ci sono molte tecnologie là fuori che penso potrebbero essere molto utili e di grande impatto.

A volte non ce la fanno ad andare in clinica o all'uso dell'umanità perché semplicemente non è successo, non era il momento giusto o altri effetti sono entrati in scena di cui ho appena parlato. O a volte non c'è un collegamento diretto che non si possa vedere che la tecnologia potrebbe effettivamente risolvere quel problema. E la persona che si occupa del problema, o diciamo i biologi o le persone in medicina, sono abituati a farlo in un modo per molti anni.

E le persone che si occupano di tecnologia, per lo più se non si hanno un focus sulla biotecnologia, non sono consapevoli dei problemi della medicina. Quindi unire queste due parti è una seria ricerca interdisciplinare. E penso che negli ultimi anni, l'intera enfasi sia a livello di NIH che di quella che vediamo nei laboratori di ricerca e nelle università sia quella di generare ricerca interdisciplinare.

Quindi le persone finiscono per ottenere un dottorato di ricerca in cui devono conoscere più campi. Ad esempio, per il mio dottorato, dovevo conoscere l'acustica, dovevo conoscere i mems, dovevo conoscere la microfluidica e dovevo applicare questo per i polimeri. Quindi ora si vede una conoscenza molto profonda in un campo in cui si dovevano conoscere abbastanza bene altri tre campi per essere in grado di risolvere quel problema.

Quindi penso che la risposta sia nella ricerca interdisciplinare combinata con persone con competenze imprenditoriali per renderla disponibile all'uso delle persone, è un processo molto grande e alcune inefficienze che si presentano in determinate località. Causa quella bassa percentuale di trasferimento tecnologico.