Name: バイオMEMSと細胞生物学：展望と応用 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: 学ぶバイオMEMSとマイクロ流体デバイスを用いた神経科学における細胞培養技術の改善方法。従来の培養の限界を克服し、より生理学的に関連性の高いモデルを作成する技術を解説します。

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

バイオmemsと細胞生物学：展望と応用

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

培養細胞の能力は、基本的な細胞と分子生物学の研究における仮説検定に革命をもたらしました。それは、薬物スクリーニング、毒物学、および臨床検査の標準的な方法論となっており、ますます再生医療で使用されています。しかし、本質的に均質な液体培地中で、均質な平坦な基板上での細胞の大集団の浸漬で構成される従来の細胞培養の方法論はますます基本的かつ実用的な観点からの両方を制限することとなっています。微細加工技術はマイクロメータの制御、基板の生化学的組成とトポロジー、および培地組成だけでなく、周囲の細胞の微小環境における隣接セルタイプで、デザインへの研究者を有効にしている。さらに、マイクロテクノロジーは、概念的に条件の多数の下で細胞のハイスループット培養および解析を可能にするin vitro系で、高速で低コストの開発に適しています。このインタビューでは、アルバートFolchは、それらはソフトリソグラフィとマイクロフルイディクスを克服する方法を、これらの制限を説明し、彼の研究室と将来の方向での研究のいくつかの関連する例を示します。

バイオMEMSと細胞生物学：展望と応用

細胞を培養する能力は、基礎的な細胞・分子生物学研究における仮説検証に革命をもたらしました。これは、……における標準的な手法となっています。

アルバート・フォークです。シアトルのワシントン大学で教授を務めており、バイオメディカル・マイクロエレクトロメカニカルシステム（BioMEMS）という幅広い領域の研究に取り組んでいます。私たちはマイクロ流体デバイスを扱い、主に神経科学などの細胞生物学への応用を重点的に研究しています。当研究室の焦点のひとつは、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を用いて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、また均質な表面上に配置されていることにすぐに気づくでしょう。しかし、生体内において細胞は均質な表面上に存在するわけではありません。細胞は均一な培地に浸されているわけではありません。実際には、空間的および時間的に変化する多様な信号（多くの場合、濃度勾配などの形式）にさらされており、ゲル状のマトリックスに囲まれています。また、シャーレで細胞を研究する場合、実用的な制限もあります。例えば、大型で高価な装置であるインキュベーターが必要です。通常、生物学者は多くの異なる条件を検討したいと考えます。例えば、細胞培養Aと細胞培養Bにおける細胞の状態を研究したいとします。細胞がこれらの化合物にどのように反応するかには大きなばらつきがあります。そのため、通常、生物学者は細胞を異なるペトリ皿に播種し、おそらく3連（triplicate）で試験を行い、一連の条件を検討します。その結果、大量の細胞培養培地や消耗品、多くの皿を使用することになり、多大なスペースを必要とします。そのため、私たちはそれを小型化しようとしており、それが一つの側面です。また、細胞を導入し、細胞培養培地を交換する作業には、大量のピペッティングが必要です。これは、費やす時間や人員の面で非常にコストが高く、また、ペトリ皿に出し入れする必要がある液量も非常に多くなります。もう一つの制限は、すべての表面を細胞で満たすために大量の細胞を使用する必要があり、そのためには多くの場合、多くの動物を犠牲にする必要があるということです。また、単に数が多いという理由だけで、費用が高くなる可能性もあります。つまり、結論としては、従来の技術は最終的に多額の費用がかかるということになります。それらは、実験の実施に必要な時間と人員の両面で非常にコストがかかる上、実際の収量も低いため、生物学者は結果として、表面の数や検討する条件を妥協せざるを得ません。そのため、得られるデータは統計的に非常に脆弱なものになります。典型的な生物学的研究における結論は、工学的な基準から見ると非常に定性的であり、結果として、これらの研究の多くはスケールアップが不可能な状態にあります。そして、ゲノム時代となった現在、多くの条件や多数の変数について研究し、大量の細胞や条件を検討することでのみ明らかになる新しい変数や新しい細胞現象を見つけ出したいというニーズが高まっており、それが大きな課題となっています。そこで、マイクロファブリケーション技術を用いることで、さまざまな理由から活用できるいくつかの利点が得られます。まず、根本的な視点からの利点として、マイクロエレクトロニクスにおいてトランジスタが小型化されるほど性能が向上するのと同様のことが挙げられます。ここでは、研究対象である細胞と同程度のスケールのデバイスを構築しています。マイクロファブリケーション技術は、単一の手法ではなく、多方面からこれらの制限を克服することを可能にします。例えば、非常に多数の単一細胞をプローブすることができます。これにより、即座に非常に定量的な結論を得ることができます。また、安価な実験を行うことが可能です。さらに、これらのシステムは、1つのデバイスの価格で多くのデバイスを作製できるという意味で、作製コストが非常に低く抑えられています。また、操作が簡単であるため運用コストが低く、自動化にも非常に適しています。そして、こうした製造コストと運用コストの低さという利点により、商業的な実装において大きな成功を収めています。さらに、これらのシステムは定量的な設計が非常に容易であるという特徴も備えています。これは非常に重要です。なぜなら、これにより、例えばマイクロ流体デバイスの挙動や表面の作製などをモデル化し、それがどのように機能するかを正確に把握できるからです。そして、その工程はモデリングによって行われます。まだラボへは向かいません。理論的にすべてが機能することが確認できたら、研究室でそれを実装し、多くの時間を節約することができます。私たちの研究室で利用している主要な技術の一つにソフトリソグラフィーと呼ばれるものがあり、これは1990年代初頭にハーバード大学のGeorge Whitesideによって開発された一連の技術群です。これらは、Polymethyl Sloane（またはPDMS）と呼ばれる透明なエラストマーという材料の複製とモールドに基づいています。生物学者は、Dow Corning社製のブランド名であるSylgard 184として知っています。そして、それは本質的に透明なゴムであり、一つのデバイスです。曲げることも可能ですし、前述のように成形でき、同じ金型から繰り返し作製できます。コストがかかるのは金型の製作ですが、材料についてはバケツ単位で購入しています。これは、非常に安価です。また、生体適合性にも非常に優れています。細胞をその上に播種することも可能です。これはインプラントに使用されます。また、もう一つの大きな利点は透明であることであり、これは生物学的な研究において非常に重要な分析手法である生物顕微鏡観察にとって、極めて重要です。そして、ラボのビデオでご覧いただけるように、成形手順は非常に簡単で、非常にシンプルです。単に2つの成分を混合するだけです。どなたでも簡単に行えます。料理をしてオーブンに入れるのと同様です。4歳の私の息子でさえ、研究室に来て実際にゴムを作ることができました。それほど非常に簡単です。マイクロフルイディクス（微小流体技術）とは、流体の挙動を研究する学問です。ご存知のように、小さな水路では、水中に石を投げ入れることはできません。それは、石に加える力に比べて、石と水の間の摩擦力が非常に大きいためです。これと似た現象が小さなチャネルで起こりますが、そこでは状況が正反対になります。水が移動する物体であり、その周囲の壁面は、マイクロチャネルにおける表面積対体積比が高いため、大きな摩擦を及ぼします。そのため、壁面による影響は非常に強力になります。したがって、これらの慣性力は、粘性力および壁面によって生じる摩擦に比べて非常に小さくなります。このように粘性力が支配的であるため、マイクロチャネル内で乱流が発生することはありません。その結果、流体が層状に流れるため、層流として知られる流れの領域となります。ここでは、異なる流れが並行して流れているため、互いに混ざり合わない例を示しています。コーヒーをかき混ぜる時に起こるような、混合を促進させる乱流が発生しません。粘性力が支配的であり、マイクロチャネル内で乱流を発生させることは非常に困難であるため、1つのチャネルに合流した2つの流れは混ざり合わず、非常に緩やかな拡散によってのみ混合することになります。次に、この特性を利用して、細胞集団の異なる部分、あるいは単一細胞であっても、異なる流体にさらします。このように行う理由は、それが生体内（in vivo）で実際に起こっている現象だからです。生体内で、細胞は物質の濃度勾配にさらされており、その多くは非常に一過性です。流体中の挙動や、流線内における異なる物質の拡散を正確にモデル化できるため、細胞がどのような濃度にさらされ、細胞のどの部分がどの濃度にさらされているかを把握することができます。これにより、特定の物質への細胞曝露に関する非常に定量的な研究が可能になります。層流を細胞研究にどのように活用できるかの例として、当研究室では、筋肉細胞がニューロンによって神経支配を受けている状況を模倣させるプロジェクトに取り組んでいます。発生過程において、ある時点で神経が筋肉に到達し、シナプスの形成に関与するアグリンと呼ばれる物質を分泌します。そこで私たちは、概念的には非常に単純なことを行います。筋肉細胞をデバイスに入れ、流れの中央部分にのみアグリンが含まれる状態で曝露させます。これにより、デバイスを神経に見立て、デバイス内の筋細胞を発生過程における実際の筋肉として模倣することが可能になります。マイクロフルイディクスが非常に強力なもう一つの例は、軸索誘導の研究です。ここでのアイデアは、微小容量内での流体の拡散を非常に正確に予測できるという事実を利用して、物質の濃度勾配を形成することです。発生過程において、勾配は神経細胞が標的を見つける仕組みに部分的に関与しています。そこで私たちは、ペトリ皿の中、すなわちマイクロチャネルの中でそれを再現しようとしています。嗅覚は非常に興味深いセンサーシステムです。マウスなどの鼻にあるニューロンは、それぞれが1種類の嗅覚受容体のみを発現しています。マウスには約1,000種類の異なる嗅覚受容体遺伝子が存在します。各受容体は一定範囲のにおい物質に結合し、また各におい物質は複数の受容体に結合します。私たちは、臭気の検知が組み合わせ的な方法で行われていると考えています。従来の受容体研究では、多数の臭気物質と特定の受容体との対応、あるいは特定の臭気物質と多数の受容体との対応を見出すことは困難でした。それは、特定のニューロンや嗅覚感覚ニューロンを広範囲の臭気物質にさらすことが非常に難しく、また逆に、特定の臭気物質を嗅上皮内のすべてのニューロンにさらすことも非常に困難であるためです。そこで私たちは、嗅上皮を採取して単一細胞に分散させ、それをマイクロウェルからなる大規模なマイクロアレイ上に、1ウェルにつき1細胞の割合で配置するというアプローチを採用しました。通常、視野内には数万個のニューロンが存在しており、カルシウムイメージングを用いてこれらのニューロン、すなわち大量のニューロンの、さまざまな匂い物質や匂いのグループに対する活性化パターンを観察します。これにより、私たちが選択した任意の匂いについて、嗅覚受容体空間全体を捉えていることが確信でき、そのアレイ上の少なくとも1つか数個の受容体が表現されていることになります。このようにして、例えば、バナナの香りを感知している細胞のうち、レモンの香りも同時に感知している細胞がどれくらいあるかといった問いを立てることができます。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、実際には非常にシンプルです。それでも細胞生物学において広く採用されてこなかった理由は、エンジニアと生物学者の間の文化的な違いにあると考えています。生物学者は、新しい技術に対してアレルギーがあるとは言わずとも、少し抵抗を感じる傾向にあり、一方でエンジニアは、通常、細胞生物学や生物学全般にそれほど精通していません。そして、近い将来に起こると私が信じているのは、生物学者が私のような人物の門を叩く必要がなくなるということです。彼らは簡単なデバイスを設計し、その設計図をalu foundryのようなファウンドリに送るだけで、1、2日でデバイスがFedExで届き、自分たちで非常に簡単に実験を実装できるようになるでしょう。

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

Research

JoVE Journal

Biology

生物学

診断ツールを開発するマイクロエレクト​​ロメカニカルシステム（MEMS）の使用

細胞生物学のためのマイクロスケールのエンジニアリング

バイオMEMS：生物学者とエンジニアの間の新しいコラボレーションを鍛造

新しい遺伝子回路の設計には、十分に特徴付けられた遺伝的部分が必要です。ここでは、遺伝子部分を迅速に特性評価するための費用対効果の高いハイスループットの方法について説明します。私たちの方法は、無細胞溶解物、クローニングを回避するための線状DNA、およびスループットを向上させ、反応量を減らすための音響液体処理を組み合わせることにより、コストと時間を削減します。...

無細胞システムによる遺伝子部分の迅速な特性評価

本プロトコルは、最小限のユーザー介入で数百の ショウジョウバエメラノガスター 胚を整列、固定化、および正確に圧縮することができるマイクロ流体システムの設計、製造、および特性評価について説明しています。このシステムは、刺激後分析のためのサンプルの高解像度イメージングと回収を可能にし、他の多細胞生物学的システムに対応するように拡張することができます。...

ハイスループットマイクロ流体圧縮システムによる多細胞生物のメカノ刺激

膜脂質の構造と組成の多様性は、細胞プロセスに大きく寄与し、疾患のマーカーとなる可能性があります。分子動力学シミュレーションにより、膜と生体分子との相互作用を原子分解能で研究することができます。ここでは、複雑な膜システムを構築、実行、分析するためのプロトコルを提供します。...

シミュレーションスタディにおける複雑な脂質混合物を用いた現実的な膜モデリング

単一細胞/単一核のトランスクリプトミクスおよびマルチオミクスの成功は、細胞/核の品質に大きく依存します。したがって、組織からの細胞/核の分離とその精製は高度に標準化されなければなりません。このプロトコルは下流の単一核のmultiomeの試金のための頭脳および骨髄からの核の準備を記述する。...

単一核マルチオームアッセイのための高品質脳および骨髄核調製(英語)

微生物群集の生物学 - インタビュー

神経科学の展望

このビデオでは、パッチピペットと電気生理学のためのシャープな電極を作るためにプログラム可能なプーラーを使用する方法を示します。同じ手順は、注射針を含む​​ガラスの様々なツールを、作るために使用することができます。...

パッチピペットおよびプログラマブルプラーとシャープ電極作成

学ぶバイオMEMSとマイクロ流体デバイスを用いた神経科学における細胞培養技術の改善方法。従来の培養の限界を克服し、より生理学的に関連性の高いモデルを作成する技術を解説します。

バイオMEMSと細胞生物学：展望と応用

さらに動画を探す