バイオMEMSと細胞生物学：展望と応用

私はアルバート・フォークです。私はシアトルのワシントン大学の教授で、バイオーム(生物医学的な微小電気機械システム)の広範な分野に取り組んでいます。また、マイクロ流体工学に取り組んでおり、細胞生物学、主に神経科学への応用に注力しています。

このラボの焦点の1つは、従来の細胞培養技術の限界を克服することです。細胞生物学者がペトリ皿でin vitroで細胞を研究する方法を見ると、細胞が均質な細胞培養培地に浸されており、均質な表面にも座っていることにすぐに気付くでしょう。しかし、体内では細胞は均質な表面上にはありません。

彼らは均質な媒体に浸されていません。実際には、空間と時間で変化するさまざまな信号(多くの場合、勾配の形で)にさらされており、ゲルタイプのマトリックスによってaに囲まれています。また、ペトリ皿で細胞を研究する際には、大きくて高価な機器であるインキュベーターが必要です。

通常、生物学者はさまざまな条件を研究したいと考えています。彼らは、例えば細胞培養Aと細胞培養Bの細胞を研究したいと考えています。これらの化合物に対する細胞の反応には、多くのばらつきがあります。ですから、通常、生物学者は細胞をさまざまなシャーレに置き、それを三重に行い、その後、さまざまな条件を研究するため、多くの細胞培養、培地、多くの消耗品、多くの皿を使用することになり、それには多くのスペースが必要になります。

そこで、私たちはそれを小型化しようと試みており、それが一つの側面です。また、これを細胞を入れて細胞培養液を交換するには、ピペッティングを多く必要とする。つまり、それは、それが関与する時間と人員、そしてまた、ペトリ皿の出し入れが必要な流体の量の点で、非常に高価です。

もう 1 つの制限は、すべてのサーフェスをセルで埋めるためには、多数のセルを使用する必要があり、そのためには多くの動物を犠牲にする必要があることです。また、それは、nuの純粋な数のために高価になることができます。つまり、従来の技術には多額の費用

彼らは、実験を実施するためにそれを使用するために必要な時間と人員の両方の点で、非常に高価であり、また、実際には、収量、生物学者は、そこにある表面の数に妥協することになる、または条件が研究されている。そのため、統計的に非常に弱いデータを扱います。典型的な生物学的研究の結論は、工学的基準からすると非常に定性的であるため、これらの研究はすべてスケーラブルではないという結果になります。

ゲノム領域の時代では、人々が大量の条件、多くの変数を研究し、新しい変数、大量の細胞や条件を研究することによってのみ明らかにできる新しい細胞現象を見つけたいと考えているため、これは大きな問題になっています。このように、微細加工技術は、さまざまな理由で活用できるいくつかの利点をもたらしてくれます。まず、基本的な観点から、マイクロエレクトロニクスではトランジスタが最適に機能するのと同じように、トランジスタが小さいためにより適切に機能する利点があります。

ここでも、研究対象のオブジェクト、つまり細胞の順序にあるスケールにアクセスするデバイスを構築します。微細加工技術は、これらの限界を一つの方法ではなく、一度に多くの方法で克服することができます。これにより、非常に多数の単一細胞をプローブできます。

そのため、非常に定量的な結論がすぐに得られます。また、それはあなたが安価な実験をすることを可能にします。また、これらのシステムは、1つの価格で多くのデバイスを製造できるという意味で、製造するのに非常に安価です。

また、操作が安価で、自動化に非常に適しているためです。次に、これらの製造コストと運用コストの低さという利点は、非常に成功したコア、商用、商用の実装につながります。そして最後に、これらは非常に、これらのシステムは定量的設計に非常に適しています。

この方法では、例えばマイクロ流体デバイスや表面のファブリケーションの挙動をモデル化し、それがどのように機能するかを正確に知ることができるため、これは非常に重要です。そして、モデリングによって戻ってきます。私たちはまだ研究室には行きません。

そして、すべてが理論的に機能した後、私たちは行き、そして研究室に行き、それを実装し、多くの時間を節約します。私たちの研究室で使用している主な技術の一つは、ソフトリソグラフィーと呼ばれるもので、90年代初頭からハーバード大学のジョージ・ホワイトサイドが開発した姉妹技術です。そして、それらは材料の複製と成形に基づいており、ポリメチルスローンと呼ばれる透明なエラストマー、またはPDMSの生物学者は、そのブランド名がコーニングによって製造されたSガード180 4であることを知っています。

そして、それは本質的に透明なゴムであり、デバイスです。あなたはそれを曲げることができます、そして、私が言ったように、それは成形することができます、それは製造するのに高価なものが型である一つの同じ型から繰り返し入ることができます。そして、材料は、バケツ単位で買うのです。

それは、ご存知のように、それほど高価ではありません。また、生体適合性も高いです。それは、その上に細胞を播種することさえできるということです。

インプラントに使用されています。また、もう一つの大きな利点は、透明性が高いことであり、これは生物学的顕微鏡にとって非常に重要なことであり、ご存知のように、生物学的研究における分析方法として非常に重要なものです。そして、その成形手順は、ラボのビデオで見ることができるように、非常に簡単で、非常に簡単です。

それは単に2つの成分を混合することを含みます。そして、それは誰でもできるのです。まるで料理をしてオーブンに入れるようなものです。

私の4歳の息子も、研究室に来て実際にゴムを作ってくれました。ですから、それは本当に簡単です。マイクロ流体工学は、流体の挙動の研究です。

小さな水路では、ご存知のように、水中に石を投げることはできません。それは、あなた、その力、石と水の間の摩擦力が、それに与える力に比べて非常に大きいからです。少し似たようなことが、小さなチャネルの小さなchで起こり、状況が逆になっています。

水は、動いている物体であり、その周りの壁は、マイクロチャネルでは、壁が非常に強い効果を持つ高い表面対体積比のために、IMがそれらに多くの摩擦を与えます。したがって、これらの慣性力は、粘性力や壁によって引き起こされる摩擦に比べて非常に小さいです。したがって、粘性力が支配的であるため、マイクロチャネル内では乱流が発生することはありません。したがって、流体がシート状に流入するため、層流と呼ばれる流れのレジームがあります。

そして、ここでは、異なるストリームが並んで流れるため、異なるストリームが混ざり合わない例を示します。彼らは、コーヒーを操縦するときに起こるような混合を加速する乱流はありません。さて、粘性力が支配的であり、マイクロチャネルに乱流が発生するのは非常に難しいため、1つのチャネルに合流する2つのストリームは混合されず、拡散によって非常にゆっくりと混合されるだけです。

次に、この特性を利用して、細胞集団のさまざまな部分、または単一の細胞をさまざまな流体にさらします。そして、私たちがそうする理由は、それが生体内で起こる方法だからです。生物の内部では、細胞は物質の勾配にさらされ、多くの場合、非常に一過性です。

したがって、流体の流れ内のさまざまな物質の拡散における流体の挙動さえもモデル化できることを正確に知っているため、細胞がどの濃度にさらされているか、細胞のどの部分がどの濃度にさらされているか、どの定数、どのような短所があるか、細胞のどの部分がどの濃度にさらされているかがわかります。そのため、特定の物質への細胞の曝露について非常に定量的な研究を行うことができます。層流を細胞の研究に利用できる例として、研究室では、筋肉細胞を引き寄せてニューロンが活性化していると思わせるプロジェクトを行っています。

ですから、発達中に何が起こるかというと、ある時点で神経が筋肉に到達し、シナプスの誕生に関与するアリンと呼ばれる物質を分泌します。ですから、私たちがやっていることは、実際には概念的には非常に単純なことです。筋肉細胞をデバイスに入れ、流れの中央部分にのみrinを含む流れにさらします。

そのため、発達中にデバイスが神経であり、デバイスの中にある筋肉細胞が実際の筋肉であるかのように装うことができます。マイクロ流体工学が非常に強力である別の例は、軸索誘導の研究です。ここでの考え方は、私たちが知っているという事実を利用して、流体が少量でどのように拡散するかを非常によく予測して、物質の勾配を生成することです。

また、発生時には、神経細胞が標的を見つける方法に部分的に関与する勾配が関与します。そこで、それをシャーレの中で再現しようと試みました。マイクロチャネルの内部では、嗅覚が魅力的なセンサーシステムです。

鼻の中のニューロンは、例えばマウスのそれぞれが1種類の嗅覚受容体だけを発現しているとしましょう。マウスのmには約1000種類の嗅覚受容体遺伝子があります。そして、各受容体はa、さまざまな匂い物質に結合し、各オージンはいくつかの受容体に結合します。

そして、私たちが匂いを検出する方法は、従来の派閥研究の組み合わせによるものであると信じているため、多数の匂い物質と特定の受容体、または任意の匂い物質と多数の受容体との間の一致を見つけることは困難です。それは、特定のニューロンや因子感覚ニューロンをさまざまな匂い物質にさらすのが非常に難しく、逆に、匂い物質があるとすると、嗅上皮内のすべてのニューロンをさらすのが非常に難しいからです。そこで、私たちのアプローチは、嗅上皮を採取し、それを解離した単一の細胞に切り刻み、マイクロウェルの大きなマイクロアレイのアレイ上に、マイクロウェルごとに1つの細胞を配置するというものでした。

さて、視野には通常、カルシウムイメージングで画像化する数万のニューロンがあり、これらのニューロンの活性化パターン、この大量のニューロンの匂い物質やODのグループへの活性化のパターンを見ています。これにより、特定の匂いや選択に対して、嗅覚受容体空間全体を見ていると確信することができます。そのアレイには、少なくとも1つまたはいくつかの受容体が表されています。

このようにして、例えば、バナナの匂いがする細胞のうち、レモンの匂いがする細胞がいくつあるか、といった質問をすることができることがわかります。これらのマイクロ流体およびマイクロパターニング技術は、実際には非常に単純であり、細胞生物学でより広く採用されていない理由は、エンジニアと生物学者の間の文化的な違いによるものだと思います。生物学者は通常、新しい技術やエンジニアにアレルギーがない場合でも、細胞生物学や生物学全般にあまり詳しくない

そして、近い将来、生物学者自身が私のような人のドアをノックする必要がなくなると、私たちが信じているのがわかります。彼らは簡単なデバイスを設計し、その設計をaluファウンドリーのようなファウンドリに持っていくことができ、1日か2日でデバイスをフェデックスで戻し、実験を自分で実装するのが非常に簡単になります。