전기 생리학에 Microfluidics 적용
2007년 10월 1일
제 이름은 데이브 에딩턴입니다. 저는 시카고에 있는 일리노이 대학의 생명공학과 조교수입니다. 그리고 우리가 주로 작업하는 분야는 특히 미세유체 장치를 사용하여 생물 의학 응용 분야에 마이크로 기술을 적용하는 것입니다.
그리고 오늘 우리는 우리의 프로젝트 중 하나를 보여드릴 것인데, 그것은 표준 뇌 절편 관류 챔버에 적응하는 미세유체 장치를 사용하여 뇌 절편의 공간적 시간 자극을 제공하는 것과 관련이 있습니다. 따라서 현재 전기생리학 절편 준비에서 절편에 대한 신경 전달 물질의 주요 응용 분야는 전 세계적으로 전체 뇌 절편에 걸쳐 이루어집니다. 우리는 한 번에 전체 뇌 절편을 자극하거나 마이크로 피펫을 사용하여 다른 시점에서 신경 전달 물질을 흡입합니다.
뇌 절편은 매우 복잡한 구조이며, 신경 전달 물질을 전체적으로 적용하거나 마이크로 피펫을 사용하는 경우 생체 내 자극 패턴을 재현할 수 없습니다. 반면에 우리 플랫폼을 사용하면 뇌 스플라이스 전반에 걸쳐 매우 특정한 영역에 대한 자극을 제어할 수 있고 자극과 같은 생체 내에서 더 많은 자극을 얻을 수 있습니다. 따라서 전류 관류 시스템은 표준 커버 유리 슬라이드와 도킹하는 위치에 표시됩니다.
이를 통해 전체 슬라이스에 걸쳐 미디어를 관류할 수 있습니다. 그러나 각성제 장치에 있는 신경 전달 물질의 해상도를 공간적으로 제어할 수는 없습니다. 그래서 우리는이 표준 풍력 챔버와 도킹하는 마이크로 플릭 장치를 개발했습니다.
따라서 모든 표준 전기생리학 분석을 사용할 수 있습니다. 그리고 유일하게 다른 특징은 유리 덮개 유리 바닥 대신에, 이것은 미세유체 채널에 연결되는 여러 개의 관통 구멍이 있는 A-P-D-M-S 장치로 구성되어 있으며, 이 구멍은 이 구멍을 통해, 채널을 통해, 비아를 통해, 그리고 뇌 조각으로 신경 전달 물질을 자극할 수 있습니다. 그리고 우리는 유체를 전달하기 위해 수동 펌핑이라는 기술을 사용합니다.
따라서 전기생리학은 이미 매우 복잡한 절차이기 때문에 이 장치에서 복잡한 튜브를 만들 필요가 없습니다. 또한 장치 설계를 단순화하고 수동 펌핑을 사용함으로써 이 미세유체 장치를 적용하는 실험 프로토콜을 단순화합니다. 장치의 구조는 2 층 미세 유체 네트워크입니다.
첫 번째 레이어는 출구 포트에 연결되는 라우팅 채널이고 두 번째 레이어는 이러한 채널을 유정에 연결하는 이러한 관통 구멍으로 구성됩니다. 따라서 이 제작은 표준 2개 레이어 U 미세 제작 단계를 사용하여 수행되며, 여기에는 이러한 바이어스가 이 4개 채널의 중앙에 직접 배치되도록 하는 몇 가지 정렬 표시가 있습니다. 따라서 이 장치는 표준 풍부 챔버와 도킹하도록 설계되어 동일한 전기생리학 분석을 모두 사용할 수 있습니다.
따라서 우리는 이것을 전기생리학 장비에 넣고, 우리의 목표를 그 안에 넣고, 미세유체 채널을 통해 국부적 자극을 제공하고, 필요한 것 이상으로 실험 설정을 불필요하게 복잡하게 만들지 않을 수 있습니다. 따라서 장치 디자인을 가능한 한 단순하게 유지함으로써 이 플랫폼을 훨씬 쉽게 보급할 수 있습니다. 그래서 지금 우리의 구조는, 이 4개의 V를 미시 유체 채널의 중간에 가지고 있지만, 이것들은 뇌의 어느 영역을 연구하느냐에 따라 다른 실험실의 필요에 맞게 조정될 수 있습니다.
따라서 한 영역은 해마를 연구할 수 있고 다른 영역은 외피질을 연구할 수 있습니다. 그래서 우리는 이 미세유체 장치를 어떻게 설계하느냐에 따라 그 영역을 자극할 수 있었습니다. 또한 이 장치는 작동하는 데 외부 구성 요소가 필요하지 않기 때문에 수동 펌핑 기술을 사용하여 이러한 개구부에 마이크로 피펫을 피펫팅하기만 하면 됩니다.
이 하단 기판 외에 표준 전기생리학 실험실에서 이 장치를 사용하기 위해 구입해야 하는 추가 장비는 없습니다. 따라서 프로젝트의 이 시점까지 우리는 미세유체 채널을 표준 풍부 챔버에 도킹하는 데 중점을 두었습니다. 이제 프로젝트의 다음 부분은 이러한 슬라이스 준비를 사용하여 실제 가설 기반 연구에서 이 장치를 실제로 테스트하는 것입니다.
그래서 우리는 형광 염료를 사용하여 이러한 형광 유사체를 채널에 주입하여 다른 영역을 공간적으로 자극할 수 있음을 보여주었습니다. 다음 단계는 실제 생물학적 실험을 실제로 수행하는 것입니다. 따라서 미세유체역학 분야는 전환점에 접어들고 있습니다.
우리는 새로운 개념 증명 시연을 넘어 이러한 장치를 실제로 사용하여 이전에는 불가능했던 새롭고 흥미로운 일을 발견하고 있습니다. 따라서 이 분야는 빠른 확산, 층류, 대량 서비스 대 부피 비율 및 공정 통합과 같이 미시적 규모에서 사용할 수 있는 원리를 사용했던 기술에서 벗어나고 있습니다. 이제 우리는 이를 사용하여 실험실과 임상에서 충족되지 않은 요구 사항을 해결하는 데 적용할 것입니다.
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개요
본 논문에서는 신경과학 분야, 특히 뇌 절편의 시공간적 자극을 위한 미세유체 장치의 응용에 대해 논합니다. 이 방법은 기존 기술과 비교하여 신경전달물질 적용의 정밀도를 향상시킵니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 생체공학
- 미세유체역학
배경
- 전기생리학적 슬라이스 표본 제작은 신경과학에서 흔히 사용됩니다.
- 현재의 신경전달물질 적용 방법은 정밀도 면에서 한계가 있습니다.
- 미세유체 장치는 자극 기술을 향상시키기 위한 새로운 접근 방식을 제공합니다.
- 표준 뇌 슬라이스 관류 챔버를 개조하여 기능을 개선할 수 있습니다.
연구 목적
- 뇌 절편의 시공간적 자극이 가능한 미세유체 장치를 시연합니다.
- 전기생리학 연구에서 신경전달물질의 적용 방식을 개선합니다.
- 뇌 절편 실험을 위한 보다 제어된 환경을 제공합니다.
사용된 방법
- 뇌 절편 관류 챔버와 호환되는 미세유체 장치의 개발.
- 미세유체 시스템을 이용한 신경전달물질의 적용.
- 자극 기법의 비교: 전신 자극 대 국소 자극.
- 자극의 효과를 평가하기 위한 전기생리학적 측정.
주요 결과
- 미세유체 장치를 통해 신경전달물질 전달을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
- 시공간적 자극은 기존 방식과 비교하여 개선된 결과를 보여줍니다.
- 뇌 절편 표본 제작에서 실험 결과가 향상되었습니다.
- 신경과학 연구 분야에서 광범위한 응용 가능성이 있습니다.
결론
- 미세유체 장치는 뇌 절편에 대한 신경전달물질 적용 효율을 크게 향상시킵니다.
- 이 기술은 전기생리학적 연구 및 관련 연구를 발전시킬 수 있습니다.
- 향후 연구에서는 이 방법의 추가적인 응용 가능성을 탐구할 수 있을 것입니다.
자주 묻는 질문
산업적 관련성 요약
이 미세유체-전기생리학 통합 기술은 뇌 슬라이스에 대해 공간적 및 시간적으로 제어된 신경조절물질 전달을 달성함으로써 신경과학 발견의 핵심적인 미충족 수요를 해결합니다. 생체 내 조건(in vivo)을 더 잘 모방하는 부위 특이적 자극 패턴을 가능하게 함으로써, 이 플랫폼은 중추신경계(CNS) 신약 개발 프로그램의 표적 검증 및 메커니즘적 위험 제거에 대한 예측 신뢰도를 높여줍니다. 단순화된 수동 펌핑 설계는 특수 인프라 없이도 전기생리학 워크플로우 전반에 걸쳐 광범위하게 도입될 수 있도록 지원합니다.
바이오 제약 R&D의 전략적 응용
초기 발견 및 표적 검증
- 과학적 가치: 정의된 뇌 영역에 걸쳐 신경 조절 물질 도포를 정밀하게 공간적으로 제어함으로써 치료 가설의 검증을 가능하게 합니다.
- 운영적 가치: 마이크로 피펫 조작의 필요성을 제거하여 신경전달물질 전달 실험의 기술적 변동성을 줄여줍니다.
- 예측적 가치: 전신 관류보다 생리학적으로 더 관련성이 높은 자극 패턴을 재현함으로써 기능적 표적 검증을 지원합니다.
스크리닝 및 분석법 개발
- 분석 준비도: 재현 가능한 국소 자극 프로토콜을 수립하여, 후속 화합물 스크리닝을 위한 검증된 뇌 절편 시스템을 준비합니다.
- 정량적 출력: 영역 특이적 전기생리학적 반응의 측정을 용이하게 하여, 용량-반응 및 키네틱 분석을 가능하게 합니다.
- 플랫폼 재사용: 미세유체 채널 재설계를 통해 다양한 뇌 영역(예: hippocampus, cortex)에 적용할 수 있어, 다중 표적 스크리닝 캠페인을 지원합니다.
중개 및 전임상 연구
- 중개적 연속성: 구조화된 신경 조직에서 신경 조절제의 효과를 테스트할 수 있는 질환 관련 시스템을 제공함으로써 기초 발견 단계와 전임상 단계 사이의 가교 역할을 합니다.
- 기전적 리스크 감소: 격리된 부위별 자극을 통해 경로 특이적 약물 효과를 명확히 하여, 타겟 결합 연구의 모호성을 줄여줍니다.
- 리스크 조정 기반의 진전: 발견 파이프라인 초기 단계에서 부위 의존적 효능 및 오프타겟 신호를 밝힘으로써 go/no-go 결정에 필요한 정보를 제공합니다.
파이프라인 및 워크플로우 통합
이 방법은 초기 표적 검증부터 전임상 평가에 이르는 발견 연속체에 통합되어, CNS 표적 선택 및 리드 최적화에 대한 신뢰도를 높이는 공간 분해능 기전 연구를 가능하게 합니다.
- 발견 생물학: 복잡한 신경 준비물에서 독립 변수(예: 국소적 신경 조절제 노출)를 격리함으로써 가설 검증 및 경로 명확화를 지원합니다.
- 스크리닝: 미세유체 채널 전반에 걸쳐 표준화된 수동 펌프 구동 방식의 유체 전달을 통해 분석 재현성과 정량적 판독값을 향상시킵니다.
- 분석: 조건별 전기생리학적 측정값을 생성하여 연구팀이 지역별 반응을 비교하고 자극제의 효능 및 선택성을 평가할 수 있도록 합니다.
- 중개 연구: 뇌 절편을 질환 관련 시스템으로 사용하여 보존된 조직 구조 내에서 신경 조절제 효과를 평가함으로써 전임상 연속성을 연결합니다.
- 기업적 재사용: 표준 관류 챔버와 호환되는 재사용 가능한 플랫폼으로 설계되어 실험실 및 프로젝트 간의 재검증 필요성을 최소화합니다.
운영 및 기업 영향
- 과학적 가치: 공간적으로 제어된 자극을 통해 메커니즘적 모호성을 줄임으로써 표적 검증의 예측 신뢰도를 높입니다.
- 운영적 가치: 수동 펌핑을 통해 재현성과 확장성을 개선하여 외부 펌프나 복잡한 튜빙에 대한 의존성을 제거합니다.
- 전략적 가치: 단일 전기생리학 설정 내에서 다중 지역 테스트를 가능하게 하여 분석 반복 횟수를 줄임으로써 자본 효율성을 높입니다.
- 포트폴리오 영향: 뇌 하위 영역 전반에 걸쳐 더 명확한 구조-활성 및 표적 결합 데이터를 제공하여 위험 조정 우선순위 결정을 지원합니다.
실행 시 고려 사항
- 미세유체 장치 취급 및 전기생리학 설정 통합에 관한 전문 지식이 필요합니다.
- 표준 뇌 절편 관류 챔버 및 현미경 이미징 시스템의 사용 가능 여부에 따라 달라집니다.
- 사용자 간 일관된 장치 도킹 및 채널 정렬을 위해 팀 간 표준화가 필요합니다.
- 비아(via) 및 채널 레이아웃의 미세유체 재설계를 통해 서로 다른 뇌 영역을 표적으로 할 때 적응 고려 사항이 수반됩니다.
- 표적 영역으로의 신경조절물질 전달 성공 여부를 확인하기 위한 형광 또는 전기생리학적 검증이 필요하다는 제한이 있습니다.
