電気生理学的にマイクロ流体の適用
2007年10月1日
私の名前はデイブ・エディントンです。私はイリノイ大学シカゴ校の生物工学科の助教授です。そして、私たちが主に取り組んでいる分野は、マイクロテクノロジーを生物医学アプリケーション、特にマイクロ流体デバイスを使用して適用することです。
そして今日は、標準的なブレインスライス灌流チャンバーに適応するマイクロ流体デバイスを使用して、ブレインスライスの空間的時間的刺激を提供するプロジェクトの1つをお見せします。したがって、現在、電気生理学のスライス調製では、神経伝達物質のスライスへの主な用途は、脳スライス全体にわたってグローバルに行われます。一度に脳全体を刺激したり、マイクロピペットを使ってさまざまな時点で神経伝達物質を吸ったりしています。
脳スライスは非常に複雑な構造で、神経伝達物質を全球的に適用したり、マイクロピペットを使用したりすると、in vivoの刺激パターンを再現することはできません。一方、私たちのプラットフォームでは、脳スプライス全体の非常に特定の領域への刺激を制御し、よりin vivoのような刺激を達成することができます。したがって、電流灌流システムは、標準のカバーガラススライドとドッキングする場所をここに示しています。
また、これらにより、メディアをスライス全体に灌流することができます。しかし、覚醒剤デバイスに搭載されている神経伝達物質の解像度を空間的に制御することはできません。そこで、この標準的な増殖チャンバーとドッキングするマイクロフリックデバイスを開発しました。
したがって、すべての標準的な電気生理学アッセイを使用することができます。そして、唯一の異なる特徴は、ガラスカバーガラスの底の代わりに、これはマイクロ流体チャネルに接続するいくつかのスルーホールを持つA-P-D-M-Sデバイスで構成され、この上部のプロフュージョンチャンバーの開口部に接続され、これらの穴を通じて、チャネルを介して、ビアから出て、脳スライスに神経伝達物質を刺激することができます。そして、パッシブポンピングと呼ばれる技術を使用して、液体を送ります。
したがって、電気生理学はすでに非常に複雑な手順であるため、このデバイスから複雑なチューブが出てくる必要はありません。また、デバイスの設計を簡素化し、パッシブポンピングを使用することで、このマイクロ流体デバイスを適用する実験プロトコルを簡素化します。デバイスの構造は、2層のマイクロ流体ネットワークです。
最初の層はアウトレットポートに接続するルーティングチャネルであり、2番目の層はこれらのチャネルをウェルに接続するこれらのスルーホールで構成されています。したがって、この製造は、標準的な2層U微細加工ステップを使用して行われ、これらのビアがこれらの4つのチャンネルの中央に直接配置されていることを確認するためのアライメントマークがいくつかあります。そのため、このデバイスは標準的なプロフュージョンチャンバーとドッキングするように設計されているため、同じ電気生理学的アッセイをすべて使用できます。
そのため、これを電気生理学装置に搭載し、目的をそこに取り込み、マイクロ流体チャネルを通じて局所的な刺激を提供し、必要以上に実験設定を複雑にしないようにすることができます。したがって、デバイスの設計をできるだけシンプルに保つことで、このプラットフォームをはるかに簡単に普及させることができます。現在、私たちの構造では、マイクロ流体チャネルの中央にこれらの4つのVがありますが、これらは研究している脳の領域に応じて、さまざまなラボのニーズに適応させることができます。
つまり、ある領域では海馬を研究し、もう1つの領域では外側の皮質を研究することができるのです。ですから、このマイクロ流体デバイスの設計方法によって、これらの領域を刺激することができます。また、このデバイスは動作するために外部コンポーネントを必要としないため、必要なのは、パッシブポンプ技術を使用してこれらの開口部にピペットで固定するマイクロピペッターだけです。
この底面の基板以外に、標準的な電気生理学研究室がこのデバイスを使用するために取得する必要がある追加の機器はありません。そのため、プロジェクトのこの時点まで、マイクロ流体チャネルを標準のプロフュージョンチャンバーにドッキングすることに注力してきました。そして今、プロジェクトの次の部分は、これらのスライス調製物を使用して、実際の仮説駆動型研究でこのデバイスを実際にテストすることです。
そこで、蛍光色素を使用することで、これらの蛍光類似体をチャネルに注入することで、さまざまな領域を空間的に刺激できることを実証しました。そして次のステップは、実際に実際の生物学的実験を行うことです。つまり、マイクロ流体工学の分野は転換点に来ているのです。
私たちは、斬新な概念実証のデモンストレーションを通り越して、これらのデバイスを実際に使用して、以前は不可能だった新しくエキサイティングなことを発見しています。そのため、この分野は、高速拡散、層流、大規模サービスなど、マイクロスケールで利用可能な原理を使用していた手法から、体積比やプロセス統合へと移行しています。そして今、私たちはそれらを使用し、それらを応用して、研究室や臨床で満たされていないニーズを解決します。
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概要
本記事では、神経科学におけるマイクロ流体デバイスの応用、特に脳切片への時空間的な刺激について解説します。この手法は、従来の技術と比較して、神経伝達物質投与の精度を向上させます。
研究の主要構成要素
科学分野
- 神経科学
- バイオエンジニアリング
- マイクロフルイディクス
背景
- 神経科学において、電気生理学的なスライス標本作製は一般的に用いられています。
- 現在の神経伝達物質の投与手法は、精度に限界があります。
- マイクロ流体デバイスは、刺激手法を向上させるための新しいアプローチを提供します。
- 標準的な脳スライス灌流チャンバーを改良することで、機能性を向上させることが可能です。
研究目的
- 脳切片の時空間的な刺激を可能にするマイクロ流体デバイスを提示すること。
- 電気生理学的研究における神経伝達物質の適用方法を改善すること。
- 脳切片実験のために、より制御された環境を提供すること。
使用方法
- 脳切片灌流チャンバーと互換性のあるマイクロ流体デバイスの開発。
- マイクロ流体システムを用いた神経伝達物質の適用。
- 刺激手法の比較：全体刺激と局所刺激。
- 刺激の有効性を評価するための電気生理学的測定。
主要な結果
- マイクロ流体デバイスにより、神経伝達物質投与の精密な制御が可能になります。
- 時空間的な刺激は、従来の手法と比較して改善された結果を示しています。
- 脳切片標本における実験結果の向上が見られます。
- 神経科学研究におけるより幅広い応用への可能性があります。
結論
- マイクロ流体デバイスは、脳切片への神経伝達物質の投与効率を大幅に向上させます。
- この技術は、電気生理学的研究および関連する研究を促進させることができます。
- 今後の研究では、この手法のさらなる応用が探索される可能性があります。
よくある質問
業界における重要性
このマイクロ流体デバイスと電気生理学の統合は、神経科学の発見における重要な未充足ニーズである、脳切片への神経修飾物質の空間的および時間的に制御された送達の実現に取り組むものです。生体内の条件をより忠実に模倣した領域特異的な刺激パターンを可能にすることで、本プラットフォームは、中枢神経系（CNS）創薬プログラムにおける標的バリデーションおよびメカニズムのリスク低減における予測精度を高めます。簡素化されたパッシブポンプ設計により、特別なインフラを必要とせず、電気生理学のワークフロー全体への幅広い導入が可能です。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- 科学的価値： 定義された脳領域にわたるニューロモジュレーター投与の精密な空間制御により、治療仮説の検証が可能になります。
- 運用的価値： マイクロピペット操作の必要性を排除し、神経伝達物質投与実験における技術的なばらつきを低減します。
- 予測的価値： 全身灌流よりも生理学的に妥当な刺激パターンを再現することで、機能的ターゲットの検証をサポートします。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- アッセイの準備：再現可能な局所刺激プロトコルを確立することで、後続の化合物スクリーニングに向けた検証済みの脳切片システムを準備します。
- 定量的な出力：領域特異的な電気生理学的応答の測定を容易にし、用量反応解析および速度論的解析を可能にします。
- プラットフォームの再利用：マイクロ流路チャネルの再設計により、異なる脳領域（例：海馬、皮質）への適応が可能であり、マルチターゲットのスクリーニングキャンペーンをサポートします。
トランスレーショナル・前臨床研究
- トランスレーショナルな連続性： 構造化された神経組織におけるニューロモジュレーターの効果を検証するための疾患関連システムを提供することで、基礎研究と前臨床段階を橋渡しします。
- メカニズムによるリスク低減： 局所的な刺激を分離して行うことで経路特異的な薬物効果を明確にし、ターゲットエンゲージメント研究における曖昧さを軽減します。
- リスク調整済み進展： 創薬パイプラインの早期段階で領域依存的な有効性とオフターゲットシグナルを明らかにすることで、go/no-go決定に有用な情報を提供します。
パイプラインおよびワークフローの統合
本手法は、初期のターゲットバリデーションから前臨床評価に至る創薬の連続的なプロセスに統合されており、空間分解能を持つメカニズム解析を可能にすることで、中枢神経系（CNS）ターゲットの選定およびリード最適化における信頼性を向上させます。
- 探索生物学： 複雑な神経標本において独立変数の分離（例：部位特異的な神経修飾物質の曝露）を可能にすることで、仮説検証および経路の解明を支援します。
- スクリーニング： マイクロ流路における標準化されたパッシブポンプ駆動による流体供給を通じて、アッセイの再現性と定量的読み取りを向上させます。
- 分析： 条件別の電気生理学的測定値を生成し、部位ごとの応答の比較や、刺激剤の効力および選択性の評価を可能にします。
- トランスレーショナルリサーチ： 組織構造が保持された脳スライスを疾患に関連するシステムとして利用することで、前臨床段階における連続性を確保し、神経修飾物質の効果を評価します。
- エンタープライズ再利用： 標準的な灌流チャンバーと互換性のある再利用可能なプラットフォームとして設計されており、ラボやプロジェクト間での再バリデーションの必要性を最小限に抑えます。
運用および企業への影響
- 科学的価値：空間的に制御された刺激によりメカニズムの曖昧さを低減し、ターゲット検証における予測の信頼性を向上させます。
- 運用上の価値：受動的なポンピングにより、外部ポンプや複雑なチューブへの依存を排除し、再現性と拡張性を改善します。
- 戦略的価値：単一の電気生理学セットアップ内で多点的な領域テストを可能にすることで、アッセイの重複を減らし、資本効率を高めます。
- ポートフォリオへの影響：脳の各亜領域にわたってより明確な構造活性相関およびターゲット結合データを提供し、リスク調整後の優先順位付けを支援します。
実施上の検討事項
- マイクロ流体デバイスの取り扱いおよび電気生理学的なセットアップ統合に関する専門知識が必要です。
- 標準的な脳切片灌流チャンバーおよび顕微鏡イメージングシステムへのアクセスに依存します。
- ユーザー間でデバイスのドッキングとチャネルの整合性を一定にするため、チームを横断した標準化が必要です。
- ビアおよびチャネルレイアウトのマイクロ流体的な再設計を通じて異なる脳領域を標的とする場合、適応に関する検討が必要となります。
- 標的領域へのニューロモジュレーターの送達が成功したことを確認するための、蛍光または電気生理学的な検証が必要である点に制約があります。
