BioMEMS: Fucinatura nuove collaborazioni tra biologi e ingegneri
1 novembre 2007
Il mio nome è Newly John e lavoro presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica dell'Università della California, Irvine. La mia ricerca riguarda lo sviluppo di nuovi dispositivi biomedici e dispositivi microfluidici per la neuroscienza e la ricerca sulle cellule staminali. La bio e la microfluidica sono discipline relativamente giovani, sviluppatesi negli ultimi cinque-dieci anni, e utilizzano molte delle tecniche e competenze sviluppate per l'industria dei circuiti integrati.
Quello che stiamo facendo è utilizzare i metodi e gli approcci di miniaturizzazione sviluppati per i circuiti integrati per produrre dispositivi di piccole dimensioni dotati di canali e serbatoi ridotti, e impiegare questi dispositivi per applicazioni di biologia cellulare. Tradizionalmente, la maggior parte degli esperimenti biologici è stata condotta su scala di una piastra di Petri. Pertanto, per quanto riguarda le cellule, osservandone una con un diametro di circa 10 micron, si ha essenzialmente una piccola cellula immersa in un grande volume di liquido.
Utilizzando dispositivi microfluidici, possiamo controllare l'ambiente circostante la cellula. La comunicazione tra cellule, così come l'influenza dei fattori solubili, può essere regolata con una precisione molto maggiore rispetto all'esecuzione dell'esperimento su scala più ampia in una piastra di Petri. Pertanto, questi nuovi sviluppi nel campo della microfluidica offrono notevoli prospettive in termini di controllo e riproducibilità rispetto ai metodi convenzionali.
La nostra ricerca sull'uso di dispositivi microfluidici per lo studio della migrazione cellulare prevede lo sviluppo di nuovi dispositivi in grado di mantenere un gradiente costante di fattori solubili sulle cellule, in modo da poter analizzare come le cellule rispondono a diversi fattori di crescita o chemochine. Ciò richiede un controllo preciso del flusso di fluido su un gruppo di cellule, aspetto estremamente importante e fondamentale nella maggior parte dei processi biologici, come la morfogenesi, la metastasi tumorale e la risposta delle cellule immunitarie. Analogamente ai dispositivi microfluidici utilizzati per generare gradienti, i dispositivi per la coltura di neuroni, e in particolare di com neuroni, rappresentano un recente sviluppo nel campo della microfluidica.
Con questi dispositivi, siamo in grado di isolare e purificare frazioni assonali e ottenere anche strutture altamente polarizzate. In questo caso, rispetto a saggi convenzionali come quelli con camere vuote, in cui era molto, a volte difficile impedire perdite e altri problemi sperimentali, i dispositivi microfluidici offrono risultati complessivamente più riproducibili e al contempo forniscono una piattaforma otticamente compatibile in cui possiamo eseguire microscopia ad alta risoluzione.
E questo dispositivo viene utilizzato per eseguire esperimenti volti a studiare il trasporto assonale. Utilizzando questo nuovo dispositivo per la coltura neuronale microfluidica, molti dei nostri collaboratori in tutto il paese stanno analizzando diversi modelli di malattie neurodegenerative, come la malattia di Alzheimer, la malattia di Parkinson e la SLA. Sono stato molto fortunato ad avere collaboratori eccellenti nei dipartimenti di neuroscienze e di anatomia patologica qui all'Università della California di Irvine. Collaboro strettamente con i laboratori di Car Kaman Stewart, Ed Monki e Lisa Flanagan.
Le nostre collaborazioni prevedono incontri regolari volti a individuare i problemi che i biologi si trovano ad affrontare. Durante questi incontri periodici, emergono situazioni in cui, nonostante l'esistenza di strumenti convenzionali, esistono ancora numerose applicazioni in cui noi ingegneri biomedici possiamo svolgere un ruolo significativo per migliorare e approfondire la ricerca biomedica. Ad esempio, la nostra collaborazione con il laboratorio del Dott. Monki e del Dott. Flanagan negli ultimi cinque anni è stata molto produttiva.
Innanzitutto, i nostri studenti possono imparare a collaborare strettamente, in gruppo e con diverse discipline scientifiche. Allo stesso tempo, abbiamo avuto la fortuna di affrontare problemi nella biologia delle cellule staminali. Ad esempio, la coltivazione e la differenziazione di cellule staminali all'interno di dispositivi microfluidici ha offerto una prospettiva nuova sul comportamento delle cellule staminali in un gradiente di un morfogeno come BMP.
E ritengo che questo tipo di collaborazione rappresenterà una parte importante della scienza futura, man mano che un numero crescente di ingegneri mostrerà interesse per la ricerca biomedica. Allo stesso tempo, con l'aumentare della richiesta di nuovi strumenti dotati di capacità innovative nel campo delle neuroscienze e di altre discipline bioscientifiche, mi aspetto che si svilupperanno numerose collaborazioni fruttuose, in grado di spingere significativamente avanti il settore della ricerca biomedica. Inoltre, penso che il campo della microfluidica e dei microbiomi si trovi in una fase particolarmente entusiasmante.
Esistono molte nuove applicazioni che vengono sviluppate praticamente ogni giorno. Mi aspetto che tra cinque anni un numero molto maggiore di biologi utilizzi questo tipo di dispositivi per la ricerca quotidiana, per esperimenti di routine, per lo studio della migrazione cellulare o per altri scopi specifici. Poiché questi dispositivi offrono numerosi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali basati su colture in piastra di Petri, ritengo che la fantasia sia l'unico limite allo sviluppo di nuovi tipi di applicazioni.
E io credo che una stretta collaborazione con i biologi porterà allo sviluppo di nuovi tipi di dispositivi, che svolgeranno un ruolo significativo nei futuri progressi della ricerca biomedica.
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Panoramica
John, dell'Università della California a Irvine, parla della sua ricerca volta allo sviluppo di nuovi dispositivi biomedici e microfluidici per la neuroscienza e la ricerca sulle cellule staminali. Questo campo emergente sfrutta tecniche provenienti dall'industria dei circuiti integrati per creare dispositivi miniaturizzati destinati ad applicazioni in biologia cellulare.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Ingegneria biomedica
- Neuroscienze
- Microidraulica
Sfondo
- La microfluidica è una disciplina giovane che si è sviluppata nell'ultimo decennio.
- Utilizza metodi provenienti dall'industria dei circuiti integrati.
- Gli esperimenti biologici tradizionali utilizzano tipicamente scale più grandi, come le piastre di Petri.
- Le cellule sono spesso immerse in grandi volumi di liquido, il che può limitare la precisione sperimentale.
Scopo dello studio
- Sviluppare dispositivi miniaturizzati con canali e serbatoi per applicazioni di biologia cellulare.
- Migliorare la precisione degli esperimenti che coinvolgono cellule di piccole dimensioni.
- Esplorare il potenziale della miniaturizzazione nella ricerca biomedica.
Metodi Utilizzati
- Sviluppo di nuovi dispositivi biomedici.
- Applicazione di tecniche microfluidiche.
- Utilizzo di metodi di miniaturizzazione derivati dai circuiti integrati.
- Progettazione sperimentale incentrata su applicazioni biologiche su piccola scala.
Risultati principali
- Creazione di dispositivi in grado di manipolare piccoli volumi di liquido.
- Maggiore capacità di condurre esperimenti su scala microscopica.
- Potenziale per risultati migliori nella ricerca neuroscientifica e sulle cellule staminali.
- Dimostrazione dei vantaggi derivanti da allestimenti sperimentali miniaturizzati.
Conclusioni
- I dispositivi microfluidici rappresentano un notevole progresso nella ricerca biologica.
- La miniaturizzazione può portare a esperimenti più precisi e controllati.
- Un ulteriore sviluppo in questo campo potrebbe trasformare le applicazioni nel settore della neuroscienze e delle cellule staminali.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
I dispositivi microfluidici consentono un controllo preciso dei microambienti cellulari, affrontando una sfida fondamentale nelle ricerche di neuroscienze e di cellule staminali, in cui i modelli convenzionali con piatti di Petri presentano una risoluzione spaziale e temporale insufficiente. Questa tecnologia supporta la riduzione del rischio meccanicistica permettendo l'isolamento fluidico dei compartimenti assonali e somatici, facilitando studi mirati su lesioni e il recupero di frazioni pure per analisi successive. La piattaforma aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi e nello sviluppo di saggi, migliorando la riproducibilità e consentendo l'acquisizione di immagini ad alta risoluzione di cellule vive.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche mediante l'isolamento fluidico di compartimenti neuronali per studiare le risposte specifiche per compartimento a insulti solubili.
- Valore operativo: Supporta la validazione funzionale di bersagli mantenendo strutture neuronali polarizzate fino a 2-3 settimane, consentendo la valutazione longitudinale del trasporto assonale e della degenerazione.
- Valore predittivo: Aumenta la fiducia negli studi di interazione con il bersaglio riducendo la variabilità sperimentale grazie a un controllo preciso del microambiente e a gradienti fluidici riproducibili.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Fornisce una piattaforma standardizzata per preparare sistemi biologici validati con separazione fluidica, consentendo screening affidabili di composti in compartimenti assonali o somatici distinti.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la scalabilità dei saggi grazie a parti in polimero ottenute con precisione mediante stampaggio e compatibilità con microscopia DIC, contrasto di fase, confocale e a due fotoni.
- Utilità della piattaforma: Consente analisi biochimiche successive, come la PCR su frazioni assonali pure, aumentando la prontezza allo screening per l'identificazione di bersagli e vie metaboliche.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Rilevanza traslazionale: Modella lesioni del sistema nervoso centrale e neurodegenerazione consentendo la somministrazione localizzata di agenti tossici o aggregati a compartimenti assonali fino a 20 ore dopo il cambio del mezzo.
- Continuità preclinica: Collega la fase di scoperta con la validazione preclinica permettendo colture longitudinali e immunocitochimica a punto finale fisso per valutare esiti strutturali e funzionali.
- Avanzamento basato sul rischio: Guida le decisioni di avanzamento o interruzione fornendo letture quantitative e specifiche per compartimento che riducono l'ambiguità meccanicistica nei percorsi bersaglio.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
La piattaforma per colture neuronali microfluidiche si integra nel percorso di scoperta, dalla verifica delle ipotesi all'identificazione di composti promettenti fino alla validazione preclinica, sostenendo cicli iterativi di progettazione e sperimentazione nello sviluppo di neurofarmaci.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi consentendo un controllo preciso spaziotemporale dei gradienti di fattori solubili per studiare la chemotassi, la morfogenesi e le risposte delle cellule immunitarie in un formato riduzionista.
- Screening: Garantisce prontezza per i saggi grazie a compartimenti otticamente compatibili e isolati fluidicamente, che permettono la valutazione parallela di composti senza contaminazioni incrociate.
- Analisi: Produce misurazioni quantitative di variabili dipendenti come intensità della fluorescenza assonale, velocità di trasporto e profili molecolari basati sulla PCR ottenuti da frazioni purificate.
- Ricerca traslazionale: Si integra nei flussi di lavoro preclinici modellando meccanismi patologici del sistema nervoso centrale, come la degenerazione assonale e i deficit di trasporto, rilevanti per le malattie di Alzheimer e di Parkinson.
- Riutilizzo aziendale: Funziona come piattaforma riutilizzabile in diversi progetti grazie alla sua adattabilità a vari tipi di neuroni, derivati da cellule staminali e saggi di fattori solubili.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva nella validazione degli obiettivi riducendo il rumore biologico e consentendo una riduzione del rischio meccanicistica attraverso perturbazioni specifiche per compartimento.
- Valore operativo: Garantisce standardizzazione e riproducibilità grazie alla modellazione precisa e al controllo dei flussi fluidici, minimizzando la variabilità tra pozzetti e tra esperimenti.
- Valore strategico: Migliora l'efficienza del capitale riducendo i falsi positivi nei test iniziali e diminuendo l'abbandono nelle fasi avanzate grazie a una maggiore fedeltà biologica.
- Impatto sul portafoglio: Permette una priorizzazione adeguata al rischio dei candidati neuroterapeutici attraverso la profilazione dell'efficacia e della tossicità risolta per compartimento.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche nella progettazione di microfluidica, nella coltura di neuroni e nell'immagine di cellule vive per ottimizzare la fabbricazione del dispositivo e l'allestimento sperimentale.
- È vincolato all'accesso a strumenti per la fabbricazione microfluidica, sistemi di controllo della pressione per l'isolamento idrostatico e piattaforme microscopiche compatibili.
- Necessita di una standardizzazione congiunta tra gruppi di ingegneria e biologia per garantire un funzionamento costante del dispositivo e un'interpretazione coerente dei dati.
- Richiede considerazioni di adattamento quando si estende l'applicazione oltre i neuroni del sistema nervoso centrale ad altri tipi cellulari, come cellule staminali o cellule immunitarie, a causa delle diverse proprietà di adesione e migrazione.
- È limitato dalla necessità di tecniche asettiche e protocolli di cambio del mezzo per mantenere l'isolamento fluidico durante periodi prolungati di coltura (2-3 settimane).
