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일회용 진단을위한 microfluidic 응용

이 인터뷰에서 박사 Klapperich는 열가 소성 microfluidic 장치와 새로운 진단 개발을위한 그들의 응용 프로그램의 제조에 대해 설명합니다.

일회용 진단을위한 Microfluidic 응용

In this interview, Dr. Klapperich discusses the fabrication of thermoplastic microfluidic devices and their application for development of new ...

제 이름은 Catherine CloudBridge이고 Boston University의 제조, 엔지니어링 및 생물 의학 공학 교수입니다. 저는 생물의학 마이크로 장치 및 미시환경 연구소(Biomedical Micro Devices and Microenvironments Laboratory)의 소장입니다. 우리는 주로 리소스가 제한된 설정에서 응용 프로그램에 대한 일회용 진단을 만드는 작업을 합니다.그래서 우리는 그 장치를 만들기 위해 미세 유체 역학을 사용합니다. 우리는 실제로 두 가지 연구 분야에 관심이 있습니다. 주로 우리는 생체 분자와 세포가 플라스틱 폴리머 표면과 어떻게 상호 작용하는지 살펴보는 데 관심이 있습니다.그것이 우리의 주요 우산입니다. 이러한 작업은 일회용 진단을 위한 미세유체 응용 분야에 구현되어 있습니다. 그래서 실험실에서 우리가 만드는 것은 미세유체 장치입니다.우리가 사용하지 않는 열가소성 재료에는 일반적으로 대부분의 사람들이 실험실에서 미세유체역학을 만드는 데 사용하는 고무 재료인 PDMS를 사용합니다. 우리는 열가소성 수지로 장치를 만듭니다. 우리는 이러한 열가소성 장치를 사용하여 미시적 규모에서 분자 생물학을 수행하는 데 관심이 있으며, 이를 통해 분자 생물학이 중앙 집중식 실험실에서 멀리 떨어진 현장에서 수행될 수 있습니다.실험실에서 우리는 작은 플라스틱 카드를 만들고 그 작은 플라스틱 카드 안에는 고체상 추출 컬럼 또는 세포 용해 컬럼 또는 혼합 컬럼이 있습니다. 우리는 또한 검출 기술로 칩에서 중합효소 연쇄 반응을 수행합니다. 이 모든 것들이 작은 장치에 통합되어 있으며, 결국 연구의 장기적 관점에서 볼 때 손에 들고 다닐 수 있는 통합 장치가 될 것이며, 모든 참석 센터 핵융합 및 난방 인큐베이터 등을 갖춘 대규모 실험실을 사용할 수 없는 현장 또는 환경으로 수행할 수 있는 통합 장치가 될 것입니다.따라서 우리는 이상적으로는 혈액, 소변 대변 또는 비인두 면봉과 같은 인간 샘플, 즉 점액으로 시작할 수 있기를 바랍니다. 그런 다음 칩의 출력에서 예 또는 아니오 여부에 관계없이 누군가가 특정 미생물에 감염되었다는 답을 얻을 수 있습니다. 그리고 우리가 그렇게 하는 방법은 환자의 샘플에서 특정 미생물의 미생물에 따라 특정 또는 RNA의 DNA를 찾는 것입니다.따라서 발생하는 기술적 과제는 대부분 해당 방정식의 샘플 준비 측면에 있습니다. 따라서 혈액, 대변 또는 소변으로 시작할 때는 잠재적으로 미립자가 많은 지저분한 인간 샘플이나 PCR 억제제 또는 기타 증폭 기술이 있는 상황에서 벗어나야 합니다. 그리고 마지막에는 매우 깨끗하고 회피된 핵산 샘플로 마무리하여 증폭하거나 특정 DNA나 RNA를 찾는 데 사용할 수 있으며, 이를 통해 찾고 있는 미생물이 있는지 여부를 알 수 있습니다.따라서 이러한 샘플을 정리하려면 몇 가지 작업을 수행해야 합니다. 먼저 샘플을 필터링해야 하며, 샘플에 따라 샘플이 칩에 저장되기 전에 코스 여과 또는 빠른 회전 단계가 포함될 수 있습니다. 그래서 우리는 항상 임상의가 제공한 샘플로 시작하려고 합니다.따라서 소변과 대변 및 비인두 면봉의 경우 우리의 목표는 임상의가 평소처럼 업무를 수행하고 평소처럼 샘플을 채취하는 것입니다. 그런 다음 해당 샘플을 가져 와서 칩에 넣습니다. 따라서 해당 단계에서 더 많은 여과가 필요한 경우 해당 여과는 칩에서 발생합니다.두 번째 단계는 분자 분석을 하고 있기 때문에 해당 샘플에 있는 세포와 미생물을 용해해야 합니다. 그런 다음 용해 단계를 수행하는데, 이는 일반적으로 공극 크기가 작은 필터를 통해 샘플을 강제로 통과시키는 것을 포함합니다. 때때로 그 필터에는 날카로운 모서리를 가진 탄소 나노튜브와 같은 나노 입자도 포함되어 있는데, 이 나노 입자는 우리가 작업하는 그람 양성 박테리아인 C 디피실레와 같은 더 견고한 세포벽을 가진 유기체를 분해하는 데 사용할 수 있습니다.따라서 더 강력한 용해 컬럼이 있어야 합니다. 그러나 일반적으로 우리는 칩 내부에서 화학적 및 기계적 용해를 결합합니다. 그 후, 우리의 목표는 용해물을 취한 다음 정제된 핵산을 추출하는 것입니다.그래서 우리는 용해물을 통과시키고, 용해물을 미세유체 칩에서 공진하는 고체상 추출 컬럼 위로 통과시킵니다. 그리고 그 고체상 추출 컬럼은 플라스틱으로 만들어졌으며 이미 제작된 후 미세유체 채널 내부의 사진 개시 화학을 사용하여 만들어집니다. 또한 일반적으로 실리카 입자가 함침되어 있는데, 이는 우리가 핵산을 결합하고 방출하기를 원하기 때문입니다.어떤 경우에는 예를 들어 mRNA를 특이적으로 결합 및 방출하려는 경우 oligo DT 비드를 통합하거나, 특정 단백질을 결합하고 방출하려는 경우 특정 항체가 있는 비드를 통합했습니다. 그리고 우리는 이 모든 일을 하는 추출 컬럼을 만들 수 있습니다. 그러나 오늘 우리는 실리카 비드로 sase 추출 컬럼을 만드는 방법을 보여 드리겠습니다.그런 다음 용해물을 실리카 컬럼 위에 통과시키면 거시적 규모의 실험실에서 작동하는 Kyogen 키트와 동일하게 작동합니다. 그런 다음 우리가 원하지 않는 다른 모든 것들, 모든 탄수화물, 지질 및 세포 용해물과 우리가 원하지 않는 나머지 인간 샘플에 있는 다른 모든 것들을 제거하기 위해 씻습니다. 그리고 맨 마지막에, 우리는 물을 암시하고 있습니다.이 미시적 고체상 추출 컬럼의 장점은 일반적으로 1-5마이크로리터 정도의 매우 적은 양의 물로 용리할 수 있다는 것입니다. 그리고 우리는 우리가 투입한 거의 모든 핵산을 되찾고 있습니다. 우리는 약 70-90%의 효율을 가지고 있으며 해당 채널에서 처음 10마이크로리터를 얻을 수 있습니다.따라서 2에서 10마이크로리터로 두 번 씻어내면 거기에 넣은 거의 모든 핵산을 다시 얻을 수 있습니다. 따라서 PCR이 가능한 깨끗한 샘플일 뿐만 아니라 표준 벤치 탑 키트로 얻을 수 있는 것보다 훨씬 더 고농도의 샘플이기도 합니다. 따라서 이러한 모든 샘플 준비 기술의 최종 목표는 사람들이 수행한 다른 작업과 호환되는 것을 만드는 것입니다.칩에서 PCR 증폭을 할 수 있음을 보여주는 현장에서 아주 좋은 작업입니다. RNA 바이러스를 다루거나 유전자 발현 실험을 하려는 경우 칩에서 역전사 효소 반응을 수행할 수 있습니다. 당사의 시료 전처리 기법은 PCR on a chip과 직접 결합할 수 있으므로 벤치에서 세척 및 시료 전처리를 수행할 필요가 없습니다.그리고, 또한 작은 칩에서 다중화 PCR을 수행하는 데 필요한 작은 부피를 얻기 위해 수행해야 하는 농축 단계도 있습니다. 그래서 오늘 보여드릴 실험은 PDMS가 아닌 열가소성 수지로 만들어진 미세유체 칩을 조립하는 방법을 보여주는 것입니다. 따라서 일반적으로 사용되는 것과는 약간 다른 제조 공정이 필요하며, 이러한 칩을 밀봉하는 방법이 필요합니다.그런 다음 세포 용해와 고체상 추출에 모두 사용되는 고분자 모놀리스를 만들기 위해 칩 내부에서 빛으로 시작된 화학 물질을 수행하는 방법. 그리고 그 과정이 끝날 때쯤에는, 지금은 실험실의 모듈식 프로세스이지만, 통합될 수 있고 통합될 수 있으며, 마지막에는 물 속의 핵산, RNA 및 DNA의 고농축 샘플을 얻을 수 있으며, 이 샘플은 PCR 모듈 또는 미생물 또는 감염을 식별할 수 있는 다른 증폭 모듈로 다운스트림으로 이동할 수 있습니다. 그래서 우리는 실제로 보조금을 받고 지금 이 순간에도 작업하고 있으며, 보스턴 메디컬 센터(Boston Medical Center)에서 인플루엔 A.So 자에 감염되거나 감염되지 않았을 수 있는 환자들로부터 인간 샘플을 수집하기 시작했습니다.그런 다음 실험실에서 누군가가 인플루엔자 A에 감염되었는지 여부를 확인하기 위해 황금 표준 분석을 수행하고 있는데, 이는 기본적으로 배양 분석이며 수행하는 데 며칠이 걸립니다. 이와 병행하여, 우리는 이 샘플들을 우리 칩의 모듈에 넣고 있습니다. 그래서 우리는 그것들을 용해 컬럼에 넣고, 고체상 추출 칼럼을 통해 넣고, 그런 다음 PCR을 수행하여 황금 표준 방법과 비교하여 얼마나 잘 수행되는지 확인합니다.이것이 바로 우리가 지금 있는 단계입니다. 이러한 실험이 진행된다면 향후 4년에서 6년 후에는 인플루엔자 A에 대한 통합 칩과 완전한 분석을 확보하고 클로스트리듐 디피실과 대변 샘플을 연구하는 상황이 될 것입니다. 그리고 우리는 현재 장치 통합뿐만 아니라 분석도 통합하는 데 매우 근접해 있습니다.따라서 분석 개발과 칩 설계는 모두 함께 이루어져야 합니다. 따라서 특정 응용 프로그램의 경우, 침대 옆으로 가는 것은 실제로 목표 지향적인 프로세스입니다. 여러분은 여러분이 시작하는 샘플과 여러분이 찾고 있는 미생물이 무엇인지를 알아야 합니다, 여러분이 침대에서 사용할 수 있도록 칩을 최적화하기 위해서입니다.그래서 저는 우리가 프로토타입 방식으로 그것을 실현하는 데 그리 멀었다고 생각하지 않습니다. 그것이 우리의 최종 목표이기 때문에 우리가 거기에 도달하기를 바랍니다.

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Research

JoVE Journal

Biology

Microfluidic Applications for Disposable Diagnostics

Boston University.  이 인터뷰에서 박사 Klapperich는 열가 소성 microfluidic 장치와 새로운 진단 개발을위한 그들의 응용 프로그램의 제조에 대해 설명합니다.

일회용 진단을위한 Microfluidic 응용

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