Name: BioMEMS en Cellulaire Biologie: perspectieven en toepassingen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: Ontdek microfluidische technieken voor celbiologisch onderzoek in de neurowetenschap met behulp van BioMEMS. Deze methoden simuleren realistische omgevingen voor cellen en verbeteren de kwaliteit van experimentele resultaten aanzienlijk.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

biomems en cellulaire biologie: perspectieven en toepassingen

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

De mogelijkheid om de cultuur cellen heeft een revolutie teweeggebracht in het testen van hypothesen in de basis cel-en moleculair biologisch onderzoek. Het is uitgegroeid tot een standaard methodologie in drug discovery, toxicologie, en klinische testen, en wordt steeds meer gebruikt in de regeneratieve geneeskunde. Echter, de traditionele celkweek methodologie in wezen bestaat uit het onderdompelen van een grote populatie van cellen in een homogeen vloeibaar medium en op een homogene vlakke ondergrond in toenemende mate te beperken zowel vanuit fundamenteel en praktisch perspectief. Microfabricage technologieën hebben konden de onderzoekers te ontwerpen, met micrometer controle, de biochemische samenstelling en topologie van het substraat, en het medium samenstelling, evenals de naburige celtype in de omgeving cellulaire micro-omgeving. Bovendien, microtechnologie is conceptueel zeer geschikt voor de ontwikkeling van snelle, low-cost in vitro systemen die het mogelijk maken voor high-throughput kweken en analyse van cellen onder een groot aantal voorwaarden. In dit interview, Albert Folch legt deze beperkingen, hoe zij kunnen worden overwonnen met een zachte lithografie en microfluidics, en beschrijft een aantal relevante voorbeelden van onderzoek in zijn lab en toekomstige richtingen.

BioMEMS en Cellulaire Biologie: perspectieven en toepassingen

De mogelijkheid om cellen te kweken heeft de hypothesetoetsing in fundamenteel cel- en moleculair biologisch onderzoek gerevolutioneerd. Het is een standaardmethodologie geworden in ...

Ik ben Albert Falk. Ik ben professor aan de University of Washington in Seattle en ik werk in het brede vakgebied van BioMEMS, wat staat voor biomedische micro-elektromechanische systemen. We werken aan microfluïdica en richten ons op toepassingen in de celbiologie, voornamelijk binnen de neurowetenschappen.Een van de focuspunten van het laboratorium is het proberen te overwinnen van de beperkingen van traditionele celkweektechnologie. Als u kijkt naar de manier waarop celbiologen cellen in vitro bestuderen in een Petrischaal, zult u onmiddellijk merken dat de cellen ondergedompeld zijn in een homogeen celkweekmedium en dat ze zich bovendien op een homogeen oppervlak bevinden. In het lichaam bevinden cellen zich echter niet op een homogeen oppervlak.Ze bevinden zich niet in een homogeen medium. In werkelijkheid worden ze blootgesteld aan diverse signalen die in ruimte en tijd veranderen, vaak in de vorm van gradiënten, en ze zijn omgeven door een gelachtige matrix. Er zijn ook enkele praktische beperkingen wanneer u cellen in een Petrischaal bestudeert; u heeft een incubator nodig, wat een groot en duur stuk apparatuur is.Doorgaans willen biologen een reeks verschillende condities bestuderen. Ze willen cellen onderzoeken in, laten we zeggen, celkweek A en celkweek B. Er is veel variabiliteit in hoe cellen reageren op deze verbindingen. Daarom plaatsen biologen de cellen gewoonlijk in verschillende petrischalen, waarbij ze dit mogelijk in triplikaat doen, en bestuderen ze vervolgens een reeks condities; hierdoor verbruiken ze veel celkweekmedium, veel benodigdheden en veel schalen, wat veel ruimte in beslag neemt.We proberen dat te miniaturiseren, en dat is één aspect ervan. Daarnaast vereist het vervangen van het celkweekmedium een aanzienlijke hoeveelheid pipetteerwerk. Dat is erg kostbaar in termen van de benodigde tijd en het personeel dat ermee betrokken is, evenals de hoeveelheid vloeistoffen die in en uit de petrischaal moeten worden geplaatst.Een andere beperking is dat er een groot aantal cellen moet worden gebruikt om alle oppervlakken met cellen te vullen, en dat vereist vaak het opofferen van veel dieren. Daarnaast kan het duur zijn, simpelweg vanwege de enorme aantallen. Kortom, de traditionele technieken kosten uiteindelijk veel geld.Ze zijn zeer kostbaar, zowel wat betreft de tijd en het personeel dat nodig is om ze te implementeren in elk experiment, als wat betreft de opbrengsten in de praktijk; biologen moeten uiteindelijk concessies doen aan het aantal oppervlakken of de condities die worden bestudeerd. Hierdoor wordt er gewerkt met statistisch zwakke gegevens. Conclusies in een typische biologische studie zijn naar engineering-normen zeer kwalitatief, waardoor al deze studies uiteindelijk niet schaalbaar zijn.Dit wordt nu een groot probleem in het tijdperk van het genoom, waarin onderzoekers grote aantallen condities en variabelen willen bestuderen, en nieuwe variabelen en celverschijnselen willen ontdekken die alleen aan het licht kunnen komen door grote hoeveelheden cellen en condities te onderzoeken. Microfabricagetechnieken bieden ons verschillende voordelen die we om uiteenlopende redenen benutten. Er zijn allereerst voordelen vanuit een fundamenteel oogpunt, vergelijkbaar met hoe transistors in de micro-elektronica beter werken naarmate ze kleiner worden.Hier bouwen we tevens apparaten die schalen benaderen die in de orde van grootte liggen van het bestudeerde object, namelijk cellen. Microfabricagetechnologie kan deze beperkingen op vele manieren overwinnen; enerzijds stelt het u in staat om individuele cellen in zeer grote aantallen te onderzoeken.Hierdoor trekt u direct zeer kwantitatieve conclusies. Daarnaast stelt het u in staat om goedkope experimenten uit te voeren. Ook zijn deze systemen zeer goedkoop te vervaardigen, in die zin dat u veel apparaten kunt maken voor de prijs van één.Daarnaast zijn ze goedkoop in gebruik omdat ze eenvoudig zijn en zeer geschikt zijn voor automatisering. Deze voordelen van lage fabricagekosten en lage operationele kosten leiden tot zeer succesvolle commerciële implementaties. Ten slotte zijn deze systemen zeer geschikt voor kwantitatief ontwerp.Dit is zeer belangrijk, omdat we op deze manier het gedrag van bijvoorbeeld een microfluïdisch apparaat of de fabricage van een oppervlak kunnen modelleren en precies kunnen weten hoe het zal werken. Vervolgens keren we terug; dat gebeurt via modellering. We gaan nog niet naar het laboratorium.Nadat alles in theorie werkt, gaan we naar het laboratorium om dit te implementeren, waardoor we veel tijd besparen. Een van de belangrijkste technologieën die we in ons laboratorium gebruiken, wordt soft lithografie genoemd; dit is een familie van zustertechnieken die sinds het begin van de jaren negentig door George Whitesides aan Harvard zijn ontwikkeld. Ze zijn gebaseerd op de replicatie en het gieten van een materiaal, een transparant elastomeer genaamd polymethylsiloxaan, of PDMS. Biologen kennen het onder de merknaam Sylgard 184, gefabriceerd door Dow Corning.En het is in essentie transparant rubber; het is een apparaat. Je kunt het buigen en, zoals ik al zei, het kan worden gevormd; het kan herhaaldelijk uit dezelfde mal worden gegoten, waarbij de mal het is wat duur is om te vervaardigen. Maar het materiaal kopen we per emmer.Het is, het is, weet u, niet erg duur. Daarnaast is het zeer biocompatibel. Er kunnen zelfs cellen op worden gezaaid, erop.Het wordt gebruikt in implantaten. Een ander groot voordeel is dat het transparant is, wat zeer belangrijk is voor biologische microscopie, wat, zoals u weet, een zeer belangrijke analysemethode is in biologische studies. En de gietprocedure is, zoals u in de video's uit het laboratorium kunt zien, zeer eenvoudig en ongecompliceerd.Het komt neer op het mengen van twee componenten. En zoals u weet, kan iedereen dat doen. Het is net als koken en het vervolgens in de oven plaatsen.Zelfs mijn zoon van vier jaar kwam naar het laboratorium en heeft daadwerkelijk rubber gemaakt. Het is dus echt heel eenvoudig. Microfluidica is de studie van het gedrag van vloeistoffen.In kleine kanalen kunt u, zoals u weet, geen steen onder water werpen. Dat komt omdat de wrijvingskrachten tussen de steen en het water erg groot zijn in vergelijking met de kracht die u erop uitoefent. Iets vergelijkbaars gebeurt in een klein kanaal waar de situatie precies omgekeerd is.Het water is het bewegende object en de wanden eromheen veroorzaken veel wrijving; vanwege de hoge oppervlakte-volumeratio in microkanalen hebben de wanden een zeer sterk effect. Deze traagheidskrachten zijn daarom zeer klein in vergelijking met de viskeuze krachten en de wrijving veroorzaakt door de wanden. Omdat de viskeuze krachten domineren, treedt er in microkanalen nooit turbulentie op, waardoor er sprake is van een stromingsregime dat bekendstaat als laminaire stroming, omdat het fluïdum in lagen stroomt.Hier wordt een voorbeeld getoond waarbij verschillende stromen niet kunnen mengen omdat ze zij aan zij stromen. Er is geen turbulentie die het mengen versnelt, zoals wanneer men een kop koffie roert. Omdat de viskeuze krachten overheersen en turbulentie in het microkanaal zeer moeilijk te bewerkstelligться, betekent dit dat twee stromen die samenkomen in één kanaal niet zullen mengen, maar alleen zeer langzaam door diffusie zullen mengen.Nu maken we gebruik van deze eigenschap om verschillende delen van een celpopulatie of zelfs een enkele cel bloot te stellen aan verschillende vloeistoffen. De redenen hiervoor zijn dat dit is hoe het in vivo gebeurt. Binnen het organisme worden cellen blootgesteld aan gradiënten van stoffen, en vaak op een zeer kortstondige manier.Omdat we dit precies weten, kunnen we zelfs het gedrag van de vloeistoffen modelleren, de diffusie van de verschillende stoffen in de vloeistofstroom, waardoor we weten aan welke concentratie de cel wordt blootgesteld en welk deel van de cel aan welke concentratie wordt blootgesteld. Dit stelt ons in staat om zeer kwantitatieve studies uit te voeren naar de blootstelling van cellen aan een specifieke stof. Als voorbeeld van hoe laminaire stroming kan worden gebruikt om cellen te bestuderen, hebben we een project in het lab waarin we proberen een spiercel te simuleren die wordt geïnnerveerd door een neuron.Tijdens de ontwikkeling gebeurt het volgende: de zenuw bereikt op een bepaald punt de spier en scheidt een stof uit die agrin wordt genoemd, welke betrokken is bij de vorming van de synaps. Wat we nu doen, is conceptueel eigenlijk heel eenvoudig. We plaatsen spiercellen in een apparaat en we stellen ze bloot aan een stroom waarin agrin zich alleen in het middelste gedeelte van de stroom bevindt.Hierdoor kunnen we simuleren dat het apparaat de zenuw is en dat de spiercellen in het apparaat de werkelijke spier vormen tijdens de ontwikkeling. Een ander voorbeeld waarin microfluidica zeer krachtig is, is bij de studie van axonale geleiding. Hier is het idee om gebruik te maken van het feit dat we zeer nauwkeurig kunnen voorspellen hoe vloeistoffen diffunderen in kleine volumes, om zo gradiënten van stoffen te creëren.En tijdens de ontwikkeling zijn gradiënten gedeeltelijk verantwoordelijk voor de manier waarop zenuwcellen hun doelwitten vinden. We proberen dat nu na te bootsen in een Petrischaal. Binnen een microkanaal is het reukvermogen een fascinerend sensorsysteem.Neuronen in de neus, bijvoorbeeld van muizen, drukken elk slechts één type geurreceptor uit. Er zijn ongeveer duizend verschillende geurreceptorgenen bij muizen. Elke receptor bindt aan een reeks geurstoffen en elke geurstof bindt aan meerdere receptoren.En omdat we geloven dat de manier waarop we geuren detecteren combinatorisch is, is het binnen het traditionele onderzoek naar fracties moeilijk om matches te vinden tussen een groot aantal geurstoffen en een specifieke receptor, of tussen een bepaalde geurstof en een groot aantal receptoren. Dat komt omdat het zeer moeilijk is om een specifiek neuron of een specifieke geursensorische neuron bloot te stellen aan een reeks geurstoffen en, vice versa, om bij een bepaalde geurstof alle neuronen in het reukepitheel bloot te stellen. Onze aanpak is daarom geweest om het reukepitheel te nemen, dit te dissociëren tot enkelvoudige cellen en deze op een array te plaatsen in een grote microarray van microwells, met één cel per microwell.Nou, en in een gezichtsveld hebben we doorgaans tienduizenden neuronen die we visualiseren met calciumimaging, en we kijken naar de activatiepatronen van deze neuronen, van deze grote hoeveelheid neuronen, in reactie op geurstof en groepen geuren. Dat stelt ons in staat om er zeker van te zijn dat we voor elke gekozen geur naar de gehele ruimte van olfactory receptoren kijken. Er zijn, weet je, ten minste één of enkele receptoren vertegenwoordigd op die array.Op deze manier weten we dat we vragen kunnen stellen zoals, bijvoorbeeld, hoeveel van de cellen die banaan ruiken ook citroen ruiken. Deze microfluïdische en micropatterning-technieken zijn eigenlijk vrij eenvoudig, en de reden waarom ze naar mijn belief niet breder zijn overgenomen in de celbiologie, is een cultureel verschil tussen ingenieurs en biologen. Biologen zijn meestal een beetje terughoudend, zo niet allergisch, tegenover nieuwe technologie, en ingenieurs zijn meestal niet erg vaardig in celbiologie of biologie in het algemeen.En wat we naar mijn belief in de nabije toekomst zullen zien, is dat biologen zelf niet meer zullen hoeven aan te kloppen bij iemand zoals ik. Ze zullen in staat zijn om een eenvoudig apparaat te ontwerpen en dat ontwerp naar een gieterij, zoals een alu-gieterij, te sturen, waarna het apparaat binnen een dag of twee per FedEx wordt teruggestuurd en het voor hen heel eenvoudig zal zijn om het experiment zelf uit te voeren.

biomems-and-cellular-biology-perspectives-and-applications

Research

JoVE Journal

Biology

Biologie

Met behulp van Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) voor diagnostische instrumenten te ontwikkelen

Micro-scale Engineering voor Celbiologie

BioMEMS: het aangaan van nieuwe samenwerkingen tussen biologen en ingenieurs

Goed gekarakteriseerde genetische delen zijn noodzakelijk voor het ontwerp van nieuwe genetische circuits. Hier beschrijven we een kosteneffectieve, high-throughput methode voor het snel karakteriseren van genetische delen. Onze methode vermindert kosten en tijd door celvrije lysaten, lineair DNA om klonen te voorkomen en akoestische vloeistofverwerking te combineren om de doorvoer te verhogen en reactievolumes te verminderen.

Snelle karakterisering van genetische delen met celvrije systemen

Het huidige protocol beschrijft het ontwerp, de fabricage en de karakterisering van een microfluïdisch systeem dat in staat is om honderden Drosophila melanogaster-embryo's uit te lijnen, te immobiliseren en nauwkeurig te comprimeren met minimale tussenkomst van de gebruiker. Dit systeem maakt beeldvorming met hoge resolutie en herstel van monsters mogelijk voor poststimulatieanalyse en kan worden geschaald om plaats te bieden aan andere meercellige biologische systemen.

Mechanostimulatie van meercellige organismen via een microfluïdisch compressiesysteem met hoge doorvoer

De diversiteit van membraanlipiden in structuur en samenstelling levert een belangrijke bijdrage aan cellulaire processen en kan een marker van ziekte zijn. Moleculaire dynamica-simulaties stellen ons in staat om membranen en hun interacties met biomoleculen met atomistische resolutie te bestuderen. Hier bieden we een protocol voor het bouwen, uitvoeren en analyseren van complexe membraansystemen.

Realistische membraanmodellering met behulp van complexe lipidenmengsels in simulatiestudies

Het succes van single-cell/single-nuclei transcriptomics en multi-omics hangt grotendeels af van de kwaliteit van cellen/kernen. Daarom moet het isoleren van cellen/kernen uit weefsel en hun zuivering sterk gestandaardiseerd zijn. Dit protocol beschrijft de bereiding van kernen uit de hersenen en het beenmerg voor stroomafwaartse single-nuclei multioomanalyse.

Hoogwaardige voorbereiding van hersen- en beenmergkernen voor multioomtesten met één kern

Biologie van microbiële gemeenschappen - Interview

Perspectieven op Neuroscience

Deze video laat zien hoe u een programmeerbare trekker te gebruiken om patch pipetten en scherpe elektroden te maken voor elektrofysiologie. Dezelfde procedure kan gebruikt worden om een ​​verscheidenheid van glazen instrumenten, waaronder injectienaalden te maken.

Het maken van Patch-pipetten en Sharp elektroden met een programmeerbare Puller

Ontdek microfluidische technieken voor celbiologisch onderzoek in de neurowetenschap met behulp van BioMEMS. Deze methoden simuleren realistische omgevingen voor cellen en verbeteren de kwaliteit van experimentele resultaten aanzienlijk.

BioMEMS en Cellulaire Biologie: perspectieven en toepassingen

Meer video's verkennen