Sviluppo di nuove applicazioni terapeutiche Utilizzando Microfluidica

Mi chiamo Mamed Toner. In origine sono formato in ingegneria meccanica e successivamente in ingegneria e scienze biomediche. Sono membro della facoltà presso il Massachusetts General Hospital, la Harvard Medical School e la divisione di Scienze e Tecnologie Sanitarie di Harvard e MIT, dove esploro varie applicazioni dell'ingegneria biomedica in medicina, che vanno dalla ricerca di cellule comuni nel sangue che possono essere identificate rapidamente e il cui stato fisiologico può cambiare, permettendo di comprendere la fisiologia di queste cellule in condizioni patologiche, ad esempio in caso di infiammazione o in pazienti con ustioni o traumi.

E cercare di comprendere la risposta del sistema immunitario innato e cercare di capire come le cellule del sangue regolino la risposta infiammatoria in questi tipi di casi, analizzandone il genoma e il proteoma. In esempi di questo genere, ciò che si desidera fare è identificare queste cellule senza alterarne la fisiologia e i livelli di espressione e così via. Pertanto, ciò che si sta investigando è la fisiologia naturale del problema sottostante, e non un artefatto derivante dalla manipolazione delle cellule.

Altre applicazioni saranno dispositivi di tipo point-of-care, come i chip per la salute globale che potrebbero misurare cellule di interesse per determinare l'inizio della terapia, ad esempio il livello di linfociti positivi per CD4. Stiamo quindi lavorando allo sviluppo di chip in grado di individuare e contare le cellule positive per CD4 mediante una tecnologia microfluidica su microchip; applicazioni più complesse riguarderanno ciò che chiamiamo rilevamento di cellule rare. In medicina, in particolare in medicina clinica, di solito si ha a che fare con cellule comuni e si cerca di comprendere la fisiologia del paziente sulla base di tali cellule.

Ma in realtà, molti dei processi fisiologici o patofisiologici sono controllati da cellule molto più rare, come le cellule dendritiche, le cellule staminali e le cellule regolatorie, oppure, nel caso del cancro, le cellule tumorali circolanti. Pertanto, siamo interessati all'individuazione di cellule rare che possano effettivamente determinare la risposta a diversi trattamenti e che potrebbero essere utilizzate a scopo diagnostico. Si tratta quindi di un aspetto molto ampio che riguarda l'uso della microfluidica e il movimento, nonché il posizionamento delle cellule su chip, per numerose applicazioni diagnostiche e terapeutiche.

Gli studi iniziali sulla microfluidica si sono concentrati principalmente sulla realizzazione, avvalendosi degli strumenti delle tecnologie microsistemistiche sviluppati per applicazioni di tipo circuito integrato, e sull’applicazione di sistemi miniaturizzati a concetti di tipo lab-on-chip, in cui si sviluppavano microsistemi per citometria a flusso, sistemi di elettroforesi microfluidici e sistemi di cromatografia microfluidica. Da questi studi sulla miniaturizzazione abbiamo imparato molto su come integrare sistemi biologici con microsistemi. Quello che finora è mancato nel campo sono applicazioni importanti, applicazioni di successo che potremmo definire blockbuster o applicazioni con un forte impatto clinico di queste tecnologie.

I nostri laboratori, soprattutto grazie alla posizione all'interno di un importante ospedale di ricerca, si concentrano sull'esplorazione di applicazioni significative e abilitanti di queste tecnologie, individuando ambiti in cui possiamo risolvere problemi altrimenti irrisolvibili. Ad esempio, nel caso dell'AIDS in un contesto di salute globale, un chip molto economico, utilizzabile per identificare e non vedere i linfociti positivi dal sangue intero, ottenuto da una goccia di sangue prelevata da un dito, dotato di caratteristiche per l'uso a livello di assistenza primaria. E questa tecnologia, se avrà successo, verrà utilizzata da milioni di persone.

Pertanto, la produzione di questi dispositivi, il loro ampliamento su scala industriale e il loro utilizzo in applicazioni ad alto impatto, su cui abbiamo concentrato la nostra attenzione così come molti altri nel settore ultimamente. Ma è proprio qui che vedo grandi progressi nel campo, volti a individuare applicazioni significative di queste tecnologie nella medicina clinica e nelle scienze biologiche; gli stessi strumenti vengono inoltre esplorati, in modi molto ingegnosi, per affrontare processi biologici fondamentali, come studiare le interazioni tra cellule, analizzare come le cellule rispondono a stimoli ambientali, controllare con grande precisione il microambiente di cellule e tessuti, elementi che possono poi essere utilizzati per comprendere i processi fondamentali che regolano la risposta biologica. Le applicazioni di ciò includono concetti simili a quelli di un "salario vivente", su cui stiamo lavorando, in cui cellule, o cloni di cellule, verranno etichettati in modo da riportare l'espressione di diversi geni che potrebbero essere inseriti, e saranno posizionati in una rete microfluidica molto complessa ed esposti a migliaia di condizioni diverse all'interno di un singolo esperimento.

E puoi monitorare l'espressione genica in tempo reale di queste cellule marcate con spec, diversi cloni marcati con geni diversi. I problemi critici costituiscono, a mio avviso, una delle questioni più importanti nel campo: come tradurre queste scoperte di base o queste tecnologie interessanti, per così dire, in nuove terapie o applicazioni biologiche significative; si tratta di un campo fortemente multidisciplinare.

Servono ingegneri, servono fisici, servono biologi, neurobiologi, a seconda delle applicazioni. Pertanto, secondo la mia opinione, colmare il divario tra le discipline è stato uno dei problemi più grandi. La maggior parte delle prime scoperte è stata effettuata da ingegneri e fisici privi di un'adeguata formazione o comprensione dei problemi biologici.

Ma più recentemente anche i biologi stanno scoprendo che questi strumenti fanno una differenza molto entusiasmante, e le distanze tra queste diverse discipline si stanno riducendo notevolmente negli ultimi anni perché cresce l'interesse sia dal lato della biologia sia da parte di ricercatori multidisciplinari come il nostro gruppo, che stanno esplorando le applicazioni di questi strumenti nella medicina clinica e nella biologia. Per me, questo aspetto multidisciplinare rappresenta una delle questioni principali che influenzano la traduzione di queste idee. L'altra questione è il collegamento tra accademia e industria.

Molte di queste idee nascono nell'ambiente accademico, ma sono molto complesse e coinvolgono cellule, processi biologici complessi e anche aspetti ingegneristici, produttivi e di confezionamento complessi. Pertanto, la traduzione in termini di commercializzazione di queste tecnologie richiede un'enorme attenzione. Parte di questo carico grava sull'industria.

Come si passa da scoperte fondamentali all'industria non è un processo semplice, specialmente quando entrano in gioco studi clinici e campioni biologici. Pertanto, la natura multidisciplinare del settore e il trasferimento delle conoscenze dall'ambiente accademico a quello industriale potrebbero rappresentare le due principali sfide da affrontare nei prossimi anni. Tuttavia, esistono molti gruppi che stanno lavorando a questi problemi e vedo un futuro molto promettente per le applicazioni di quelle che definisco tecnologie minuscole, le tecnologie micro e nano in medicina e biologia.