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

私はU De Mercyで、Medicine LabsのBio Stick MAMの主任研究員です。私はスタンフォード大学で電気工学の博士号を取得しました。ハーバード大学医学部のMGHでポスドクとして、バイオ音響MAM(主にバイオMA)に取り組みました。

そして今、私はハーバード大学医学部のハーバードMITヘルスサイエンスアンドテクノロジーの教員として続けています。そして、とても楽しい研究を続けていきます。博士課程で行った研究は、液滴と音響を使用して正確なサイズの液滴を生成し、その位置と位置を制御して非常に敏感なポリマーを堆積させることに非常に関連していました。

現在、同様の技術を適用して細胞を液滴にカプセル化し、組織工学のさまざまなアプリケーションの表面に配置して、表面に細胞を印刷して細胞をパターン化します。また、少数の細胞または単一の細胞、または同じ集団からカプセル化できることを確認したいアプリケーションがあり、同じ集団間の1つの細胞から別の細胞への違いを確認するために、10、000細胞/秒のような高いスループットレートで細胞を液滴にカプセル化できることは、生物学的問題を理解するために非常に重要で非常に有用になります。ですから、私の研究は現在、2つの部分に分かれていると思います。

一つは、先ほどお話しした細胞のカプセル化作業です。細胞を液滴に詰め込むにはどうすればよいでしょうか、そしてこれを細胞に害を与えることなく、繰り返し確実に行うにはどうすればよいでしょうか?したがって、細胞が排出された後、または液滴にカプセル化された後、細胞が機能し、生き生きと生存できるはずの表面に正確に配置できるはずです。

排出などの影響で害を受けるべきではありません。現在、音響液滴集束波を使用して、オープンプールからこれらの液滴を生成し、セルサイズに匹敵する非常に小さな液滴に単一のセルをカプセル化できるシステムがあります。これを細胞プリンティングや組織工学に応用するという点で、これは非常にエキサイティングです。

私の研究のもう一つの側面は、これらのMAMのマイクロ電気機械システム技術を使用して、低コストの診断ツールを開発することです。この研究のほとんどは、全血、指を刺して刺した血液などの非常に少量、チップに導入できる10マイクロリットル未満のマイクロ流体アプローチを使用しています。そして、その血液からカプセル化したり、全血から特定の細胞内集団を捕捉したりすることができます。

なぜこれが重要なのですか?なぜこれがグローバルヘルスアプリケーションにとって安価でなければならないのか アフリカの山の頂上で、HIV患者の場合、たとえば、この患者がいくつのCD 4 Tリンパ球を持っているかを知ることができるようにしたいと考えています。世界保健機関(WHO)は、マイクロリットルあたり4つの細胞が200 CD未満では、患者の治療を開始する必要があると言っているため、先進国では、このデータを取得するために数十万ドルのバートフローサイトメーターを使用します。

そして、これらを巨大なテーブルサイズの機械のように使えるようになるには、もちろん使うのに時間がかかり、スキルも必要です。私たちの小さなチップは、全血のこの小さな指のレンガ10マイクロリットルを導入することができ、それは表面タンパク質の親和性を使用してCD 4つの細胞をキャプチャします。そして、チップの表面にはCDに付着した4つのタンパク質抗体であるCD4つの細胞があることを知っているため、捕捉されたこれらの細胞を迅速に数えることができます。

流量とせん断を制御することで、これらの細胞タイプの特異性と効率を最適化することができます。もちろん、常に非特異的な結合がありますが、私たちの純粋なアプローチにより、これらの影響を最小限に抑え、プラスマイナス10%のエラーの間を確保し、アフリカの山頂で診断または予後的な決定を下すのに十分です。このように、これはグローバルヘルスのための興味深いアプリケーションを持っているだけでなく、使い捨てのこれらの低コストの技術は、先進国に影響を与えることができます。

もし、彼らがより高いレベルの効率と特異性に最適化されれば、それは私たちの生活に間違いなく影響を与えるでしょう。博士課程を修了したばかりの頃は、マイクロ流体工学についてもっと知っていましたし、MAMでは何よりも、特に液滴の応用について、細胞を印刷して細胞をカプセル化したり、少数の細胞、つまり単一細胞を操作したりすることができれば、バイオテクノロジー分野で大きな応用ができることがわかりました。そして、実際に人々の生活に影響を与えるようなことに取り組むことに、とても興味を持ちました。

以前は半導体業界に応用していたのですが、その頃は直接人の役に立ちたいと思ったんです。だから、それが私を医療の問題に向かわせたのです。そして、それが大きな変化を遂げ、ポスドクになったのが、病院、集団総合病院になった理由です。

そして、そこでは、ご存知のように、私はますます問題にさらされるようになり、今日の世界の最大の問題の一つがグローバルヘルスであり、結核やHIVのような病気が発生し、1日に何千人もの人々が命を落とすことは明らかです。そして、これらの人々が死ぬのは、薬がそこにないからではなく、既存の薬よりもはるかに高価な診断ツールが十分でないためです。ですから、私は物事の技術面を非常によく知っています。

私は生物学的な問題にさらされ、それらについて学べば学ぶほど、自分が影響を与えることができることがわかってきました。そして、そこからすべてが成長したのです。そして、それは今も続いています。

私が見たように、バイオテクノロジーや医学には、実際に人々の命や技術の損失に直接つながる多くの問題があり、その技術面を現実世界の医療問題に適用できることは素晴らしいことだと思います。これは、バイオテクノロジーの分野全体が成長しているようなもので、非常に影響力のあるものになっていると思います。考えてみれば、HIVがんは世界の大きな死因です。

そして、現在のマイクロテクノロジー、現在のアプローチは、血液からこれらの細胞を捕捉したり、非常に安価にしたりすることで、がんの早期発見から恩恵を受けることができるかもしれません。ですから、これらすべてのことが一緒になって、医療におけるこのマイクロテクノロジーの応用全体が、人類の未来に影響を与える可能性があると思います。だから、これらすべてのことが一緒になるんだと思います。

ハーバード大学のMITヘルスサイエンス&テクノロジーでは、一方ではテクノロジーがあり、もう一方では患者への直接的なアクセス、私が働いているブリガム・アンド・ウィメンズ病院の医師への直接的なアクセスは素晴らしい環境です。なぜなら、あなたが話すすべての人が問題を抱えており、それはおそらく異なる背景から来ているかもしれません。 は、これらの既存の現実世界の問題に対する興味深い解決策を提供します。ですから、これが、これらの医療問題がテクノロジー面とどのように出会うかという全体的な視点を私が見ている方法だと思います。

そして、私たちは人々の生活にポジティブな影響を与えようとしています。シングルセルキャップカプセル化またはセルカプセル化では、主要な課題は、シングルセルを確実かつ反復的にカプセル化できるようにすることです。つまり、毎秒10,000,000個の細胞を排出していることになります。

また、排出する各液滴が単一の細胞を持っていることをどのように確認しますか?この統計では、液滴サイズを変更し、液滴サイズよりも細胞サイズを最適化し、ボリューム内に球体を詰めるという古い問題と、それを行う最も効率的な方法は何ですか。これが、技術面から見ると、セルプリンティング分野での最大の課題です。

それのもう一つの側面は、今では印刷してこれらのセルを正確に配置できるようになったということです。これらの3次元組織をどのように生成し、どのようにそれらを生かし続け、どのように移植することができますか?問題の生物学的な端には、組織を正確に模倣したい

現在、アイレットや膵臓アイレットをプリントしたり、平滑筋細胞や膀胱組織を使って人間や赤膀胱を直接模倣してプリントしたりするためのアプローチがあります。これにより、この組織を作成し、現実世界の既存の天然組織と比較してどれだけ優れた性能を発揮するかをテストすることができます。ですから、これらの新しい技術を採用することで、これを交換可能な理想的な組織にし、移植できる組織にするにはどうすればよいか、それが最初からの最大の問題だと思います。なぜなら、シングルセルの制御により、それらを正確に特定する能力が得られるからです。そして、そこからどのように育てていくのでしょうか?

ですから、人間の生命の影響が来る場所に移植可能なものです。つまり、サザンカプセル化やマイクロ流体工学を用いた診断における組織工学的な側面における課題は、何十億もの細胞から細胞を捕捉できるようにすることです。それは、塩の缶に砂糖の粒子が入っていて、その砂糖の粒子を引き抜こうとしているようなもので、それは10億分の1のようなものです。

つまり、あなたは全血のマイクロリットルからミリリットルを処理しており、目詰まりのような技術的な問題や非特異的結合のような生物学的な問題なしに、具体的かつ効率的に処理できるようにしたいのです。全血1マイクロリットル中の10億個の細胞のうちの1つの細胞を分離できるようにしたいのです。そして、その1マイクロリットルのCD4Tリンパ球の場合、マイクロリットルあたり約1000個の細胞を追い求めています。つまり、1000個に1個の細胞が問題になるようなものですが、私たちはそれが実行可能であることを示しました。

しかし、がんのために循環する腫瘍細胞を追いかけたいと思ったら、課題は10億分の1になります。要約すると、課題は、周囲の何十億もの他の細胞からこの1つの細胞をどのように取り込むかということです。また、技術的な側面は何ですか?

流量はどのくらいですか?デバイスの設計は何ですか?何、流量はどれくらいですか?

処理しなければならない血液の量はどれくらいか、そして捕捉した細胞が実際に捕獲したかった細胞であることをどうやって確認するのですか?これらすべての側面が、1つの文に要約できる全体の課題を形成しました、それは、他の10億の細胞からこの1つの希少な細胞をどのように捉えるかということです。ですから、これは本当に干し草の山に針を刺すような問題で、ワクワクします。

そして、これらの問題を解決するために技術を前進させているのが、現在の技術的な課題だと思います。彼らがやるべき仕事をするレベルに彼らを連れて行くことができることは一つのことです。そして、それをクリニックに持っていき、製品にするには、会社を設立できること、これらのことを特許化できることなど、さまざまな専門知識があります。

そして、私たち科学者は、デスクトップから製品へと製品を移行するためのスキルをすべて持っているわけではないと思います。そこで、異なるバックグラウンドを持つ人々とのコラボレーションの重要性が再び浮かび上がってきます。そして、世の中には非常に影響力があり、役立つと思われる多くのテクノロジーがあります。

彼らは時々、クリニックに行かなかったり、人類の使用に至らなかったりします。それは、それが起こらなかったり、適切な時期ではなかったり、私が今話したような影響が現れなかったりするためです。あるいは、その技術が実際にその問題を解決できるとは思えない直接的なリンクがない場合もあります。そして、その問題に対処する人、例えば生物学者や医学の人々は、長年にわたって一方向にそれを行うことに慣れています。

そして、テクノロジー側の人々は、バイオテクノロジーに焦点を当てていない場合、主に医療の問題を認識していません。ですから、この2つの側面を結びつけることは、真剣な学際的な研究なのです。そして、過去数年間、NIHレベルでも、研究室や大学で見られるように、学際的な研究を生み出すことに重点が置かれてきたと思います。

そのため、人々は複数の分野を知らなければならないところで博士号を取得することになります。例えば、博士号を取得するためには、音響学、mems、マイクロ流体学、そしてそれをポリマーに応用する必要がありました。ですから、ある分野では、その問題を解決するためには、実際には他の3つの分野をかなりよく知らなければならなかったのに、非常に深い知識が見られるようになったのです。

ですから、その答えは、学際的な研究とビジネススキルを持つ人々を組み合わせて、人々を利用できるようにすることにあると思いますが、それは大きなプロセスであり、特定の場所では非効率性が生じます。技術移転の割合が低い原因です。