BioMEMS 및 세포 생물학 : 관점 및 응용 프로그램

저는 알버트 포크입니다. 저는 시애틀에 있는 워싱턴 대학교(University of Washington)의 교수로, 생체 의학 마이크로 전기기계 시스템(biomedical micro electromechanical systems)의 약자인 광범위한 생물군계에 대해 연구하고 있습니다. 그리고 우리는 미세유체역학(microfluidics)에 대해 연구하고 있으며, 주로 신경과학과 같은 세포 생물학의 응용에 초점을 맞추고 있습니다.

이 연구실의 주요 연구 분야 중 하나는 기존 세포 배양 기술의 한계를 극복하는 것입니다. 세포 생물학자들이 페트리 접시에서 체외에서 세포를 연구하는 방식을 살펴보면 세포가 균질한 세포 배양 배지에 담겨 있고 균질한 표면에 앉아 있다는 것을 즉시 알 수 있습니다. 그러나 신체에서 세포는 균질한 표면에 있지 않습니다.

그들은 균질한 매체에 담겨 있지 않습니다. 그들은 실제로 공간과 시간에 따라 변화하는 다양한 신호, 종종 그라디언트의 형태에 노출되어 있으며 젤 유형의 매트릭스로 둘러싸여 있습니다. 페트리 접시의 세포를 연구할 때 몇 가지 실질적인 제한 사항이 있으며, 크고 값비싼 장비인 인큐베이터가 필요합니다.

일반적으로 생물학자들은 여러 가지 다양한 질환을 연구하고 싶어 한다. 그들은 세포 배양 A와 세포 배양 B에서 세포를 연구하기를 원합니다.세포가 이러한 화합물에 반응하는 방식에는 많은 차이가 있습니다. 그래서 전형적으로 생물학자들은 세포를 다른 페트리 접시에 넣고, 아마도 그들은 그것을 세 번으로 하고, 그 다음에는 다양한 조건을 연구합니다, 그래서 그들은 결국 많은 세포 배양, 배지, 많은 공급품, 많은 접시를 사용

그래서 우리는 그것을 소형화하려고 노력했고, 그것이 그 중 한 측면입니다. 또한 이를 교환하고 세포를 넣고 세포 배양 배지를 교환하려면 많은 피펫팅이 필요합니다. 즉, 시간과 인력, 그리고 페트리 접시에 넣어야 하는 액체의 양 측면에서 매우 비쌉니다.

또 다른 한계는 모든 표면을 세포로 채우려면 많은 수의 세포를 사용해야 하며, 이를 위해서는 종종 많은 동물을 희생해야 한다는 것입니다. 그리고 또한 그것은 순전한 숫자 때문에 비쌀 수 있습니다. 따라서 결론은 전통적인 기술은 결국 많은 비용이 든다는 것입니다.

실험을 수행하는 데 필요한 시간과 인력 측면에서 매우 비싸고 실제로 수율을 얻으려면 생물학자가 표면의 수를 타협하거나 조건을 연구하는 데 어려움을 겪게 됩니다. 따라서 통계적으로 매우 약한 데이터를 처리합니다. 일반적인 생물학 연구의 결론은 공학 표준에 따라 매우 질적이므로 결국 이러한 모든 연구는 확장 가능하지 않습니다.

그래서, 그것은 게놈 영역 시대에 큰 문제가 되고 있습니다, 사람들은 많은 수의 조건, 많은 변수를 연구하고 싶어하고, 새로운 변수를 찾고, 많은 수의 세포와 조건을 연구해야만 밝혀낼 수 있는 새로운 세포 현상을 찾고 싶어합니다. 따라서 마이크로 제조 기술은 우리가 다양한 이유로 활용하는 몇 가지 이점을 제공합니다. 먼저 근본적인 관점에서 볼 때, 마이크로 일렉트로닉스에서 트랜지스터가 가장 잘 작동하는 것과 같은 방식으로 더 작기 때문에 더 잘 작동합니다.

여기에도 우리는 연구 대상의 순서에 있는 저울에 액세스하는 장치를 구축하는데, 이는 세포입니다. 마이크로 제조 기술은 한 가지 방법이 아니라 여러 가지 방법으로 이러한 한계를 극복할 수 있습니다. 이를 통해 매우 많은 수의 단일 세포를 조사할 수 있습니다.

그래서 그것은 즉시 매우 정량적인 결론을 제공합니다. 또한 저렴한 실험을 할 수 있습니다. 또한 이러한 시스템은 하나의 가격으로 많은 장치를 만들 수 있다는 점에서 제조 비용이 매우 저렴합니다.

또한 쉽고 자동화에 매우 적합하기 때문에 운영 비용이 저렴합니다. 그런 다음 낮은 제조 비용과 낮은 운영 비용의 이러한 장점으로 인해 매우 성공적인 강제적이고 상업적이며 상업적인 구현이 가능합니다. 그리고 마지막으로, 또한, 이러한 시스템들은 정량적 설계에 매우 적합합니다.

이것은 매우 중요한데, 이런 식으로 우리는 예를 들어 미세유체 장치나 표면 제작의 거동을 모델링하고 그것이 어떻게 작동할지 정확히 알 수 있기 때문입니다. 그리고 나서 우리는 다시 돌아와서, 우리는 모델링을 통해 이루어집니다. 우리는 아직 실험실에 가지 않았습니다.

그런 다음 모든 것이 이론적으로 작동한 후 실험실로 가서 구현하고 많은 시간을 절약할 수 있습니다. 우리 연구실에서 사용하는 주요 기술 중 하나는 소프트 리소그래피라고 불리는데, 그것은 90년대 초반부터 하버드 대학의 조지 화이트사이드(George Whiteside)가 개발한 자매 기법인 패밀리(family) 기법입니다. 그리고 그것들은 폴리메틸 슬론(Polymethyl Sloane)이라고 불리는 투명 엘라스토머, 또는 PDMS 생물학자들은 코닝이 제작한 S Guard 180 4라는 브랜드 이름으로 알고 있는 재료의 복제 및 성형을 기반으로 합니다.

그리고 본질적으로 투명 한 고무는 장치이다. 당신은 그것을 구부릴 수 있고, 내가 말했듯이, 그것은 성형될 수 있고, 제작하는 데 비용이 많이 드는 금형과 함께 하나의 동일한 금형에서 반복적으로 들어갈 수 있습니다. 그리고, 그러나, 재료, 우리는 양동이로 그것을 구입합니다.

건, 그건, 아시다시피, 그리 비싸지 않습니다. 또한 생체 적합성이 매우 높습니다. 그것은, 당신은 심지어 그것에 세포를 뿌릴 수 있습니다.

임플란트에 사용됩니다. 그리고 또 다른 큰 장점은 투명하다는 것인데, 이는 아시다시피 생물학 연구에서 매우 중요한 분석 방법인 생물학적 현미경 검사에 매우 중요합니다. 그리고 성형 절차는 실험실의 비디오에서 볼 수 있듯이 매우 쉽고 간단합니다.

두 가지 구성 요소를 혼합하는 것뿐입니다. 아시다시피, 누구나 할 수 있습니다. 요리해서 오븐에 넣는 것과 같습니다.

4살짜리 제 아들도 실험실에 와서 실제로 고무를 만들었습니다. 그래서 정말 간단합니다. Microfluidics는 유체의 거동에 대한 연구입니다.

아시다시피 작은 수로에서는 물속에 돌을 던질 수 없습니다. 그것은 당신, 당신, 돌과 물 사이의 힘, 그, 마찰력은 당신이 그것에 가하는 힘에 비해 매우 크기 때문입니다. 약간 비슷한 일이 작은 채널의 작은 ch에서 발생하며, 상황은 반대입니다.

그만큼, 물은, 움직이고있는 물체이며, 그것을 둘러싼 벽은 IM에서 높은 표면 대 부피 비율로 인해 많은 마찰을 가합니다. 따라서 이러한 관성력은 점성력과 벽으로 인한 마찰에 비해 매우 작습니다. 따라서 점성이 지배하기 때문에 미시채널 U에서는 난류가 발생하지 않으므로 우리가 가진 것은 유체가 시트로 흐르기 때문에 층류로 알려진 흐름 체제입니다.

그리고 다른 스트림이 나란히 흐르기 때문에 섞일 수 없는 예가 여기에 나와 있습니다. 그들, 당신이 커피 한 잔을 조종할 때 일어나는 것처럼 혼합을 가속화하는 난기류가 없습니다. 이제 점성력이 지배하고 마이크로 채널에서 난류를 갖기가 매우 어렵기 때문에 하나의 채널로 병합되는 두 개의 스트림이 혼합되지 않으므로 매우 천천히 확산에 의해서만 혼합됩니다.

이제 우리는 이 특성을 활용하여 세포 집단의 다른 부분 또는 단일 세포를 다른 유체에 노출시킵니다. 우리가 그렇게 하는 이유는 생체 내에서 그런 일이 일어나기 때문입니다. 유기체 내부에서 세포는 물질의 구배에 노출되며 많은 경우 매우 일시적으로 노출됩니다.

따라서 우리는 유체 흐름에서 다른 물질의 확산에 있는 유체의 거동을 정확히 알고 있기 때문에 세포가 어떤 농도에 노출되는지, 어떤 농도에 노출되는지, 세포의 어느 부분이 어떤 농도에 노출되는지 알 수 있습니다. 이를 통해 세포가 특정 물질에 노출되는 것에 대해 매우 정량적인 연구를 할 수 있습니다. 층류(laminar flow)가 세포를 연구하는 데 어떻게 사용될 수 있는지에 대한 예로, 우리는 실험실에서 프로젝트를 진행하고 있는데, 실제로 그렇게 하려고 시도하고 있는데, 근육 세포가 뉴런에 의해 주입되고 있다고 생각하도록 유도하는 것입니다.

그래서 발달 과정에서 일어나는 일은 어느 시점에서 신경이 근육에 도달하고 시냅스의 탄생에 관여하는 아린이라는 물질을 분비한다는 것입니다. 그래서 우리가 하고 있는 일은 개념적으로 매우 간단한 것입니다. 우리는 근육 세포를 장치에 넣고 흐름의 중심 부분에만 린을 포함하는 흐름에 노출시킵니다.

그래서 우리는 장치가 신경이고 장치 안에 있는 근육 세포가 발달 중인 실제 근육인 것처럼 가장할 수 있습니다. microfluidics가 있는 또 다른 보기는, 아주 강력한, 축삭 인도의 학문에서 입니다. 여기서, 아이디어는 우리가 알고 있다는 사실을 사용하는 것입니다, 우리는 유체가 어떻게 작은 부피로 확산되어 물질의 구배를 생성하는지 매우 잘 예측할 수 있습니다.

그리고 발달 과정에서 그래디언트는 신경 세포가 표적을 찾는 방법에 부분적으로 책임이 있습니다. 그래서 우리는 페트리 접시 안에서 그것을 재현하려고 노력했습니다. 마이크로 채널 내부에서 후각은 매력적인 센서 시스템입니다.

코에 있는 뉴런, 예를 들어 쥐의 경우 각각 한 가지 유형의 후각 수용체만 발현합니다. 생쥐의 m에는 약 1,000개의 서로 다른 후각 수용체 유전자가 있습니다. 그리고 각 수용체는 다양한 종류의 냄새 물질에 결합하고 각 오딘은 여러 수용체에 결합합니다.

그래서 우리가 냄새를 감지하는 방법이 조합론적 방식으로 전통적인 파벌 연구에 의한 것이라고 믿기 때문에, 많은 수의 냄새 물질과 주어진 수용체 또는 어떤 냄새 물질과 많은 수의 수용체 사이의 일치를 찾기가 어렵습니다. 그 이유는 어떤 뉴런이나 인자 감각 뉴런을 다양한 냄새 물질에 노출시키는 것이 매우 어렵고, 그 반대의 경우도 마찬가지이기 때문입니다. 그래서 우리의 접근법은 후각 상피를 가져다가 단세포로 해리된 것으로 쪼개서 마이크로 웰의 큰 마이크로어레이에 있는 어레이에 마이크로당 하나의 세포를 놓는 것이었습니다.

글쎄요, 시야에서 우리는 일반적으로 칼슘 이미징으로 이미지화하는 수만 개의 뉴런을 가지고 있으며 이러한 뉴런의 활성화 패턴을 관찰합니다. 그리고 그것은 우리가 선택한 어떤 주어진 냄새에 대해 우리가 후각 수용체 공간 전체를 보고 있다는 확신을 가질 수 있게 해줍니다. 아시다시피, 그 배열에는 적어도 하나 또는 몇 개의 수용체가 표현되어 있습니다.

이런 식으로 우리는 예를 들어, 바나나 냄새를 맡는 세포들 중 얼마나 많은 세포가 레몬 냄새를 맡고 있는지와 같은 질문을 할 수 있다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 미세유체 및 마이크로 패터닝 기술은 실제로 매우 간단하며 세포 생물학에서 더 널리 채택되지 않은 이유는 엔지니어와 생물학자 간의 문화적 차이 때문이라고 생각합니다. 생물학자들은 새로운 기술에 알레르기가 있는 것은 아니더라도 일반적으로 약간 꺼려하며, 엔지니어는 일반적으로 세포 생물학이나 생물학에 그다지 능숙하지 않습니다.

그리고 우리가 가까운 미래에 보게 될 것은 생물학자들이 저 같은 사람의 문을 두드릴 필요가 없는 것이라고 믿습니다. 그들은 간단한 장치를 설계하고 그 디자인을 alu 주조 공장과 같은 주조 공장으로 가져갈 수 있을 것이며, 하루나 이틀 안에 장치를 FedEx로 다시 보낼 수 있을 것이며, 그들 스스로 실험을 구현하는 것이 매우 쉬울 것입니다.