진단 도구를 개발하기 위해 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS)를 사용

저는 U De Mercy이며, 의학 연구실의 Bio Stick MAM의 수석 연구원입니다. 저는 스탠포드 대학교에서 전기 공학으로 박사 학위를 받았습니다. 저는 하버드 의과대학의 MGH에서 박사 후 과정을 밟았는데, 바이오 음향 MAM 또는 주로 바이오 MA에 대해 연구했습니다.

그리고 지금 저는 하버드 의과대학의 하버드 MIT 보건 과학 및 기술 교수로 재직하고 있습니다. 그리고 제가 매우 좋아하는 연구를 계속하고 있습니다. 제가 박사 과정 중에 했던 연구는 액적과 음향을 사용하여 정확한 크기의 액적을 생성하고 위치와 위치를 제어하여 매우 민감한 폴리머를 증착하는 것과 매우 밀접한 관련이 있었습니다.

이제 우리는 유사한 기술을 적용하여 세포를 액적으로 캡슐화한 다음 조직 공학의 다양한 응용 분야를 위해 표면에 배치하여 표면에 세포를 인쇄하여 세포를 패턴화합니다. 더구나, 당신이 몇몇 세포 또는 단 하나 세포를 캡슐에 넣거나 동일한 인구에서 캡슐에 넣을 수 있다는 것을 보고 싶은 신청이 있고, 10, 비율의 초당 000개의 세포 종류 같이 높은 처리 비율에 작은 물방울에 있는 세포를 캡슐에 넣을 수 있는 거기 10, 비율의 초당 000개의 세포는 아주 중요하고 아주 유용하게 됩니다. 그래서 제 연구는 현재 두 다리를 가지고 있다고 말할 수 있습니다.

그 중 하나는 제가 방금 말씀드린 세포 캡슐화 작업입니다. 우리는 어떻게 세포를 물방울로 포장할 수 있으며, 어떻게 세포에 해를 끼치지 않고 반복적이고 안정적으로 이 작업을 수행할 수 있을까요? 따라서 세포가 방출되거나 액적에 캡슐화된 후 세포가 기능하고 살아 있고 생존 가능해야 하는 표면의 위치를 정확하게 찾을 수 있어야 합니다.

배출 등의 영향으로 해를 입어서는 안 됩니다. 그래서 현재 우리는 음향 방울 집중 파동을 사용하여 열린 웅덩이에서 이러한 물방울을 생성하는 시스템을 가지고 있으며, 세포 크기와 비슷한 매우 작은 물방울 내의 단일 세포까지 캡슐화할 수 있습니다. 이것은 세포 프린팅 및 조직 공학에 적용한다는 측면에서 매우 흥미진진합니다.

제 연구의 다른 측면은 다시 이러한 MAM 마이크로 전기 기계 시스템 기술을 사용하여 저비용 진단 도구를 개발하는 것입니다. 대부분 이 연구는 미세유체 접근법을 사용하는데, 여기서 우리는 전혈, 예를 들어 찌르는 손가락으로 인한 혈액과 같은 매우 소량의 혈액을 칩에 도입할 수 있는 10마이크로리터 미만입니다. 그리고 그 혈액에서 우리는 캡슐화하거나 전혈에서 특정 세포 이하 집단을 포착할 수 있습니다.

이것이 왜 중요한가요? 이것이 글로벌 건강 응용 분야에 저렴해야 하는 이유 아프리카의 산 꼭대기에서 HIV 환자를 위해 예를 들어 이 환자가 얼마나 많은 CD 4 T 림프구를 가지고 있는지 알 수 있기를 원합니다. 세계보건기구(WHO)에 따르면 마이크로리터당 4개의 세포가 200CD 미만이면 환자를 치료하기 시작해야 합니다.선진국에서는 이 데이터를 얻기 위해 수십만 달러의 수직유세포 분석기를 사용합니다.

그리고 물론 거대한 테이블 크기의 기계처럼 사용할 수 있으려면 사용하는 데 시간과 기술이 필요합니다. 우리의 작은 칩은 이 작은 손가락 벽돌 전혈의 10 마이크로리터를 소개될 수 있고 표면 단백질 친화력을 사용하여 CD 4개의 세포를 포획할 것입니다. 그런 다음 포획된 세포를 빠르게 셀 수 있는데, 그 이유는 CD 4개의 세포가 CD에 붙어 있고 4개의 단백질, 즉 항체가 칩 표면에 있다는 것을 알기 때문입니다.

유속과 전단을 제어하여 이러한 셀 유형에 대한 특이성과 효율성이 최적화되었는지 확인할 수 있습니다. 물론 항상 비특이적 결합이 존재하지만, 우리의 순전한 접근 방식을 통해 이러한 효과를 최소화하고 플러스 마이너스 10% 사이의 오류를 확인하며, 이는 아프리카의 산 정상에서 진단 또는 예후 결정을 내리기에 충분합니다. 따라서 이것은 세계 보건에 대한 흥미로운 응용을 가지고 있을 뿐만 아니라 이러한 저비용 기술은 선진국에 영향을 미칠 수 있습니다.

우리의 초기 데이터가 보여주듯이 더 높은 수준의 효율성과 특이성에 최적화된다면, 그것은 분명히 우리의 삶에 영향을 미칠 것입니다. 제가 처음 박사 학위를 마쳤을 때, 저는 미세유체역학에 대해 더 많이 알고 있었고, 특히 액적 응용에 대해 제가 볼 수 있는 그 어떤 것보다도 MAM에서 세포를 인쇄하고 캡슐화하거나 소수의 세포, 단일 세포를 조작할 수 있다면 생명공학 분야에서 훌륭한 응용 분야를 가질 수 있다는 것을 알 수 있었습니다. 그리고 저는 사람들의 삶에 실제로 영향을 미칠 수 있는 일을 하는 데 매우 관심이 있었습니다.

예전에는 이러한 기술을 반도체 산업에 적용하곤 했지만, 당시에는 사람들에게 직접 도움이 되고 싶었습니다. 그래서 저는, 그것이 저를 의료 분야의 문제로 이끌었습니다. 그래서 저는 큰 변화를 꾀하고 종합 종합 병원에서 박사후 연구원으로 왔습니다.

그리고 거기서, 아시다시피, 저는 점점 더 많은 문제들에 노출되었고, 오늘날 세계의 가장 큰 문제 중 하나가 세계 보건이라는 것이 명백해졌고, 결핵, HIV와 같은 질병이 하루에 수천 명의 목숨을 앗아가고 있습니다. 그리고 이 사람들이 죽는 것은 약이 없어서가 아니라 기존 약보다 훨씬 비싼 진단 도구가 충분하지 않기 때문입니다. 그래서 저는 기술적인 측면을 아주 잘 알고 있습니다.

저는 생물학적 문제에 노출되었고 그것에 대해 더 많이 배울수록 제가 영향을 미칠 수 있다는 것을 더 많이 알 수 있었습니다. 그리고 거기서부터 모든 것이 자라났습니다. 그리고 그것은 지금도 계속되고 있습니다.

제가 본 것처럼 생명공학과 의학 분야에는 사람들의 생명을 앗아가는 직접적인 원인이 되는 많은 문제들이 있으며, 기술의 기술적 측면과 그것을 실제 의료 문제에 적용할 수 있는 것은 훌륭하다고 생각합니다. 이것은 제가 생각하기에 이 전체 생명공학 분야가 성장하고 있으며 매우 영향력이 커지고 있는 것과 같습니다. 생각해 보면, HIV 암은 전 세계에서 가장 큰 사망 원인입니다.

그리고 현재의 미시적 기술, 현재의 접근법은 혈액에서 이러한 세포를 포착하거나 매우 저렴하게 만들어 대중이 사용할 수 있도록 함으로써 암을 조기에 발견하는 데 도움이 될 수 있습니다. 따라서 이 모든 것들이 합쳐지면 의료 분야의 이 모든 미시기술 적용이 인류의 미래에 영향을 미칠 수 있다고 생각합니다. 그래서 이 모든 것들이 함께 모이는 방식인 것 같아요.

하버드 MIT 보건 과학 및 기술 분야에서 한쪽 끝에는 기술을 가지고 있고 다른 한쪽 끝에는 환자에게 직접 접근할 수 있고, 제가 일하는 브리검 여성 병원의 의사들에게 직접 접근할 수 있는 것은 훌륭한 환경입니다.왜냐하면 당신이 이야기하는 모든 사람들은 그들의 문제를 가지고 있고 당신은 아마도 다른 배경에서 올 수 있기 때문입니다. 기존의 실제 문제에 대한 흥미로운 솔루션을 제공합니다. 그래서 저는 이러한 의학적 문제들이 어떻게 기술적 측면과 만나는지에 대한 전체적인 관점을 어떻게 보는지에 대해 생각합니다.

그리고 우리는 긍정적인 방식으로 사람들의 삶에 영향을 미치려고 노력합니다. 단일 세포 캡 캡슐화 또는 세포 캡슐화에서 주요 과제는 단일 세포를 안정적이고 반복적으로 캡슐화할 수 있는 능력입니다. 따라서 초당 10,000,000개의 셀을 배출합니다.

그리고 방출하는 각 비말이 단일 세포를 가지고 있는지 어떻게 확인할 수 있습니까? 이 통계는 액적 크기를 변경하고 최소화하고 액적 크기에 비해 셀 크기를 최적화하는 것으로, 이는 볼륨의 구를 패킹하는 오래된 문제와 이를 수행하는 가장 효율적인 방법이 무엇인지에 대한 것입니다. 이것이 기술적 측면에서 셀 프린팅 분야의 가장 큰 과제입니다.

그것의 또 다른 측면은 이제 이러한 세포를 인쇄하고 정확하게 찾을 수 있다는 것입니다. 이러한 3차원 조직을 어떻게 생성하고, 어떻게 살아 있게 유지하며, 어떻게 이식할 수 있을까요? 문제의 생물학적 끝에서 당신이 지금 조직을 정확히 모방하기를 원하는 곳이 있습니다.

우리는 현재 췌장 구멍을 프린트할 수 있는 방법을 가지고 있으며, 평활근 세포, 방광 조직을 사용하여 사람이나 적색 방광에 있는 것을 직접 모방하여 프린팅할 수 있는 방법을 가지고 있으며, 이를 통해 이 조직을 만들고 실제 세계의 기존 토착 조직과 비교하여 얼마나 잘 수행되는지 테스트할 수 있습니다. 이것이 제가 추측하는 가장 큰 도전 과제입니다, 어떻게 하면 이 조직을 대체할 수 있고, 이식할 수 있는 이상적인 조직을 만들 수 있는가, 이것이 처음부터 가장 큰 문제인데, 왜냐하면 단세포에 대한 제어는 그것들을 정확하게 찾을 수 있는 능력을 제공하기 때문입니다. 그리고 거기서부터 어떻게 성장시킬 수 있을까요?

그러니까 인간 생명의 영향이 오는 곳에 이식할 수 있는 무언가입니다. 그러니까 그 끝에서, 남부 캡슐화와 미세유체역학을 이용한 진단의 조직 공학 측면에서 도전 과제는 수십억 개의 세포에서 세포를 포착할 수 있는 능력입니다. 마치 소금 깡통에 설탕 입자가 있고 그 설탕 입자를 뽑아내려고 하면 10억 분의 1과 같습니다.

그러니까 마이크로리터에서 밀리리터의 전혈을 처리하면서 막힘과 같은 기술적 문제나 비특이적 결합과 같은 생물학적 문제 없이 구체적이고 효율적으로 처리할 수 있기를 원하며, 1마이크로리터의 전혈에 있는 10억 개의 세포 중 한 세포를 분리할 수 있기를 원합니다. 그리고 그 1마이크로리터에 있는 CD 4개의 T 림프구 케이스의 경우, 우리는 마이크로리터당 약 1,000개의 세포를 쫓고 있습니다. 그러니까 이것은 마치 천 개의 세포 중 하나의 세포와 같으며, 우리는 그것이 가능하다는 것을 보여주었습니다.

그러나 순환하는 종양 세포에서 암을 찾고 싶다면 10억 분의 1의 도전이 됩니다. 요약하자면, 문제는 주변에 있는 수십억 개의 다른 세포 중에서 이 하나의 세포를 어떻게 포착할 것인가 하는 것입니다. 그리고 기술적 측면은 무엇입니까?

유속은 얼마입니까? 장치 디자인은 무엇입니까? 뭐, 유속은 무엇입니까?

무엇을, 처리해야 하는 혈액의 양은 얼마이며, 포획한 세포가 실제로 포획하고자 하는 세포인지 어떻게 확인할 수 있습니까? 이러한 모든 측면이 한 문장으로 요약될 수 있는 전체 과제를 형성했는데, 이는 10억 개의 다른 세포 중 이 희귀한 세포를 어떻게 포착할 것인가 하는 것입니다. 그러니까 이건 건초더미 같은 문제를 해결하는 것과 같고, 흥미로운 일이죠.

그리고 저는 이것이 현재의 기술적 도전인 이러한 문제를 해결하기 위한 기술을 발전시키고 있다고 생각합니다. 그들이 해야 할 일을 하는 수준으로 끌어올릴 수 있는 것은 한 가지입니다. 그런 다음 클리닉에 가져가서 제품으로 만드는 것은 회사를 시작할 수 있는 능력, 이러한 것들에 대한 특허를 낼 수 있는 능력과 같은 모든 다른 전문 지식을 가지고 있으며 다른 모든 측면이 그림에 나타납니다.

그리고 과학자로서 우리는 기본적으로 데스크탑에서 제품으로 제품을 가져오는 데 필요한 모든 기술을 가지고 있지 않다고 생각합니다. 그래서 다시 한 번 다른 배경을 가진 사람들과의 협업의 중요성이 부각됩니다. 그리고 매우 영향력 있고 유용할 수 있다고 생각하는 많은 기술이 있습니다.

그들은 때때로 병원에 가거나 인류에게 이용당하지 않는데, 그 이유는 그것이 일어나지 않았거나, 적절한 시기가 아니었거나, 제가 방금 말씀드린 다른 영향들이 그림에 들어왔기 때문입니다. 또는 기술이 실제로 해당 문제를 해결할 수 있는지 확인할 수 없는 직접 링크가 없는 경우도 있습니다. 그리고 그 문제를 다루는 사람, 또는 생물학자나 의학계에 종사하는 사람들은 수년 동안 한 가지 방법으로 문제를 해결하는 데 익숙합니다.

그리고 기술 쪽에 있는 사람들은 대부분 생명공학에 초점을 맞추지 않는 경우 의학계의 문제를 인식하지 못합니다. 따라서 이 두 가지 측면을 결합하는 것은 진지한 학제 간 연구입니다. 그리고 지난 몇 년 동안 NIH 수준에서, 그리고 우리가 연구소와 대학에서 볼 수 있는 모든 강조점은 학제 간 연구를 창출하는 것입니다.

그래서 사람들은 결국 여러 분야를 알아야 하는 박사 학위를 취득하게 됩니다. 예를 들어, 박사 학위를 위해 저는 음향학을 알아야 했고, 멤을 알아야 했고, 미세유체역학을 알아야 했고, 이것을 폴리머에 적용해야 했습니다. 이제 한 분야에서 매우 깊은 지식을 볼 수 있는데, 그 문제를 해결하기 위해서는 실제로 세 개의 다른 분야를 꽤 잘 알아야 했습니다.

그래서 제 생각에 해답은 비즈니스 기술을 가진 사람들과 결합된 학제간 연구에 있으며, 이는 완전히 큰 프로세스이며 특정 위치에서 발생하는 일부 비효율성입니다. 기술 이전 비율이 낮기 때문입니다.