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

Ik ben U De Mercy, hoofdonderzoeker van Bio Stick MAMs in Medicine Labs. Ik hebي mijn PhD behaald aan Stanford University in elektrotechniek. Ik heb een postdoc gedaan aan de Harvard Medical School bij MGH, waar ik werkte aan bio-akoestische MAMs of voornamelijk bio MAs.

En nu zet ik mijn loopbaan voort als docent aan de Harvard Medical School en bij Harvard MIT Health Sciences and Technology. Daarnaast ga ik door met het onderzoek waar ik zoveel van geniet. Het werk dat ik tijdens mijn PhD heb gedaan, stond grotendeels in het teken van druppels en het gebruik van akoestiek om druppels van een precieze grootte te genereren en hun locatie en positie te controleren om zeer gevoelige polymeren te deponeren.

Nu passen we soortgelijke technologieën toe om cellen in druppels te inkapselen en ze vervolgens op oppervlakken te positioneren voor diverse toepassingen in tissue engineering, om cellen op oppervlakken te printen om cellen te patroonvormen. Daarnaast zijn er toepassingen waarbij men wil vaststellen of er enkele cellen, een enkele cel of cellen uit dezelfde populatie kunnen worden ingekapseld, om zo de verschillen tussen cellen binnen dezelfde populatie te bestuderen; het vermogen om cellen met een hoge doorvoersnelheid in druppels te inkapselen, in de orde van 10.000 cellen per seconde, is zeer belangrijk en nuttig om biologische problemen te begrijpen. Mijn onderzoek heeft momenteel dus twee pijlers, zou ik zeggen.

Eén daarvan is het werk aan celencapsulatie waar ik zojuist over sprak. Hoe verpakken we een cel in een druppeltje, en hoe kunnen we dit herhaaldelijk en betrouwbaar doen zonder de cellen te beschadigen? Nadat de cel is uitgestoten of in de druppel is ingekapseld, moeten we in staat zijn de cel nauwkeurig op een oppervlak te lokaliseren, waarbij de cel functioneel, levend en levensvatbaar moet blijven.

Het mag niet beschadigd raken door de effecten van de uitstoot en dergelijke. Momenteel beschikken we over een systeem waarbij we akoestische druppelgefocuste golven gebruiken om deze druppeltjes te genereren vanuit open reservoirs, waarbij we tot aan individuele cellen kunnen inkapselen in deze zeer kleine druppels die vergelijkbaar zijn met de celgrootte. Dat is zeer veelbelovend voor de toepassing hiervan bij celprinten en tissue engineering.

De andere zijde van mijn onderzoek is opnieuw het gebruik van deze MAM-micro-elektromechanische systeemtechnologieën om diagnostische hulpmiddelen tegen lage kosten te ontwikkelen. Voornamelijk maakt dit onderzoek gebruik van microfluïdische benaderingen waarbij we volbloed kunnen introduceren, zeer kleine volumes zoals bloed uit een vingerprik, minder dan 10 µL, die op een chip kunnen worden aangebracht. Uit dat bloed kunnen we bepaalde subcellulaire populaties inkapselen of vastleggen.

Waarom is dit belangrijk? Waarom moet dit goedkoop zijn voor toepassingen in de mondiale gezondheidszorg? Wanneer je bijvoorbeeld op een berg in Afrika bent, wil je voor een hiv-patiënt kunnen vaststellen hoeveel CD4+ T-lymfocyten deze patiënt heeft. De Wereldgezondheidsorganisatie stelt namelijk dat men moet beginnen met de behandeling van patiënten zodra het aantal CD4-cellen onder de 200 cellen per microliter daalt. In de ontwikkelde wereld worden flowcytometers van honderdduizenden dollars gebruikt om deze gegevens te verkrijgen.

Natuurlijk kost het tijd en vereist het vaardigheid om dergelijke enorme machines ter grootte van een tafel te kunnen bedienen. Onze kleine chip kan worden geïntroduceerd; deze kleine vingerprint van 10 µL volbloed zal de CD4-cellen vastleggen via de affiniteit van oppervlakte-eiwitten. Vervolgens kunt u deze gevangen cellen snel tellen, aangezien u weet dat dit CD4-cellen zijn die gebonden zijn aan CD4-proteïne-antilichamen op het oppervlak van de chip.

Door de stroomsnelheden en de afschuifkracht te beheersen, kunt u ervoor zorgen dat de specificiteit en efficiëntie voor deze celtypen zijn geoptimaliseerd. Er is natuurlijk altijd sprake van aspecifieke binding, maar door onze methoden met afschuifkracht minimaliseren we deze effecten en zorgen we voor een foutmarge van plusminus 10%, wat voldoende is om een diagnostische of prognostische beslissing te nemen op de hoogste berg in Afrika. Dit biedt interessante toepassingen voor de mondiale gezondheidszorg, aangezien deze goedkope, wegwerpbare technieken ook van invloed kunnen zijn op de ontwikkelde wereld; deze snelle bloedtesten tegen zeer lage kosten kunnen namelijk de tests beïnvloeden die we in de ontwikkelde wereld gebruiken.

Als ze worden geoptimaliseerd naar hogere niveaus van efficiëntie en specificiteit, wat onze initiële gegevens aantonen dat mogelijk is, dan zal dat ons leven zeker beïnvloeden. Toen ik mijn PhD afrondde, wist ik meer over microfluidica en dat in MAM's dan over alles anders dat ik kon zien; vooral met de druppelapplicatie zag ik dat als ik cellen kon printen en cellen kon inkapselen of een paar cellen, enkelvoudige cellen, kon manipuleren, dat dit grote toepassingen zou hebben in het biotechnologische gebied. En ik was zeer geïnteresseerd in het werken aan zaken die daadwerkelijk invloed zullen hebben op het leven van mensen.

Ik paste deze technologieën voorheen toe in de halfgeleiderindustrie, maar daarna wilde ik direct nuttig zijn voor mensen. Dat is wat me richting problemen in de gezondheidszorg heeft geleid. En dat is de reden waarom ik een grote omslag maakte en voor mijn postdoc naar een ziekenhuis ging, het Mass General Hospital.

En daar ben ik, zoals u weet, steeds meer in aanraking gekomen met problemen, en het is geheel duidelijk dat een van de grootste wereldproblemen van vandaag de mondiale gezondheidszorg is, met ziekten zoals tuberculose en HIV die dagelijks duizenden mensen doden. Deze mensen sterven niet omdat de medicijnen er niet zijn, maar omdat er onvoldoende diagnostische hulpmiddelen beschikbaar zijn, die veel duurder zijn dan de bestaande medicijnen. Daarom ken ik de technologische kant van de zaken zeer goed.

Ik kwam in aanraking met biologische vraagstukken en hoe meer ik erover leerde, hoe meer ik zag dat ik een impact kon maken. Zo is het vanaf dat moment gegroeid, en dat proces zet zich nu nog steeds voort.

Zoals ik heb gezien, zijn er in de biotechnologie en de geneeskunde zoveel problemen die daadwerkelijk direct leiden tot het verlies van mensenlevens, en het technologische aspect hiervan en het vermogen om dit toe te passen op echte medische problemen is naar mijn mening een uitstekend pad om te volgen. Dit is hoe ik denk dat dit hele biotechnologische vakgebied groeit en zeer impactvol wordt. Als je erover nadenkt, HIV en kanker zijn grote doodsoorzaken in de wereld.

En met de huidige microtechnologieën zouden huidige benaderingen mogelijk kunnen profiteren van vroege kankerdetectie door deze cellen uit bloed op te vangen of door het proces zeer goedkoop te maken, waardoor het toegankelijk wordt voor de massa. Wanneer al deze elementen samenkomen, denk ik dat al deze toepassingen van microtechnologie in de gezondheidszorg en geneeskunde de toekomst van de mensheid kunnen beïnvloeden. Dat is hoe al deze zaken naar mijn idee met elkaar verbonden zijn.

En aangezien ik verbonden ben aan de Harvard MIT health sciences and technology, waar je enerzijds de technologie hebt en anderzijds een direct aspect, directe toegang tot patiënten en directe toegang tot artsen in het Brigham and Women's Hospital waar ik werk, is dit een uitstekende omgeving. Want elke persoon met wie je spreekt heeft zijn eigen problemen en je kunt, wellicht vanuit een andere achtergrond, interessante oplossingen bieden voor deze bestaande praktijkproblemen. Dus dit is, denk ik, hoe ik het hele perspectief zie van hoe deze medische problemen samenkomen met de technologische kant.

En we proberen een positieve impact te hebben op het leven van mensen. Bij inkapseling van enkelcellen of cel-inkapseling is de grootste uitdaging om betrouwbaar en reproduceerbaar individuele cellen in te kapselen. Je ejecteert immers 10.000 tot 100.000 cellen per seconde.

En hoe zorgt u ervoor dat elke druppel die u uitstoot één enkele cel bevat? Dit is een kwestie van statistiek waarbij u de druppelgrootte aanpast en de celgrootte ten opzichte van de druppelgrootte minimaliseert en optimaliseert, wat teruggaat op het klassieke probleem van het pakken van sferen in een volume en wat de meest efficiënte manier is om dit te doen. Dat is vanuit technologisch oogpunt de grootste uitdaging in het vakgebied van celprinten.

Het andere aspect is dat u nu deze cellen kunt printen en nauwkeurig kunt positioneren. Hoe kunt u deze driedimensionale weefsels genereren, hoe kunt u ze in leven houden en hoe kunt u ze transplanteren? Hier komt het biologische deel van de problematiek kijken, waarbij u het weefsel nu exact wilt nabootsen.

Er zijn momenteel benaderingen om een eilandje, een pancreas-eilandje, te kunnen printen, en om met behulp van gladde spiercellen blaasweefsel te printen dat direct een menselijke of rode blaas nabootst, zodat we dit weefsel kunnen maken en kunnen testen hoe goed het presteert in vergelijking met de bestaande natuurlijke weefsels in de echte wereld. Dat is naar mijn idee de grootste uitdaging: door deze nieuwe technologieën te gebruiken, hoe kun je dit het ideale weefsel maken dat vervangen of getransplanteerd kan worden? Dat is vanaf het begin het grootste probleem, omdat de controle over individuele cellen de mogelijkheid biedt om ze precies te positioneren. En hoe laat je het vervolgens vanaf dat punt groeien?

Het is dus iets dat daar getransplanteerd kan worden, waar de impact op het menselijk leven plaatsvindt. Wat betreft dat aspect zijn dit de uitdagingen aan de kant van de weefseltechnologie bij inkapseling en in de diagnostiek met behulp van microfluidica: de uitdaging is om in staat te zijn één cel uit miljarden cellen te isoleren. Het is alsof je een suikerkristal in een bus zout hebt en probeert dat ene suikerkristal eruit te halen; dat is een kans van één op een miljard.

U verwerkt microliters tot milliliters volbloed en u wilt, specifiek en efficiënt, zonder technologische problemen zoals verstoppingen of biologische problemen zoals aspecifieke binding, in staat zijn om één cel te isoleren uit een miljard cellen in één microliter volbloed, waarbij u een paar miljoen cellen heeft. In het geval van de CD4 T-lymfocyten zoeken we in die ene microliter naar ongeveer duizend cellen per microliter. Het is dus een probleem van ongeveer één cel op duizend, waarvan we hebben aangetoond dat het haalbaar is.

Maar wanneer u circulerende tumorcellen bij kanker wilt opsporen, wordt de uitdaging er één op een miljard. Om het kort samen te vatten: de uitdaging is hoe we deze ene cel kunnen vastleggen uit miljarden andere cellen eromheen? En wat zijn de technologische aspecten?

Wat zijn de stroomsnelheden? Wat is het ontwerp van het apparaat? Wat, wat zijn de stroomsnelheden?

Wat zijn de volumes bloed die verwerkt moeten worden en hoe zorgt u ervoor dat de cellen die u opvangt ook daadwerkelijk de cellen zijn die u wilde opvangen? Al deze aspecten vormden samen de uitdaging die in één zin kan worden samengevat: hoe vangt u die ene zeldzame cel op uit miljarden anderen? Het is echt een probleem van het zoeken naar een speld in een hooiberg, wat het zeer boeiend maakt.

En ik denk dat het verder ontwikkelen van technologieën om deze problemen aan te pakken de huidige technologische uitdaging is. Het vermogen om ze naar een niveau te brengen waarop ze doen wat ze moeten doen, is één ding. En dan het naar de kliniek brengen en er een product van maken, vereist geheel andere expertise, zoals het kunnen starten van een bedrijf, het kunnen patenteren van deze zaken en al die andere aspecten die dan een rol gaan spelen.

En ik denk dat wij als wetenschappers in eerste instantie niet over al die vaardigheden beschikken die nodig zijn om producten van de laboratoriumtafel naar de markt te brengen. Hier komt opnieuw het belang van samenwerkingen met mensen met verschillende achtergronden om de hoek kijken. Er zijn veel technologieën die, denk ik, zeer impactvol en nuttig zouden kunnen zijn.

Soms halen ze de kliniek of het menselijk gebruik niet, omdat het simpelweg niet is gelukt, het niet het juiste moment was of omdat er andere effecten ontstonden waar ik zojuist over sprak. Of soms is er geen direct zichtbare koppeling dat de technologie dat probleem daadwerkelijk zou kunnen oplossen. En de persoon die met het probleem kampt, of zeg maar de biologen of mensen in de geneeskunde, zijn gewend om het al vele jaren op één specifieke manier te doen.

En de mensen aan de technologische kant zijn, vooral als ze geen focus hebben op biotechnologie, zich niet bewust van de problemen in de geneeskunde. Het samenbrengen van deze twee kanten is dus sprake van serieus interdisciplinair onderzoek. En ik denk dat de nadruk de afgelopen jaren, zowel op NIH-niveau als in onderzoekslaboratoria en universiteiten, ligt op het genereren van interdisciplinair onderzoek.

Hierdoor komen mensen uit bij promoties waarbij ze kennis van meerdere vakgebieden moeten hebben. Voor mijn PhD moest ik bijvoorbeeld kennis hebben van akoestiek, MEMS en microfluidica, en dit toepassen op polymeren. Je ziet dus een grote diepte aan kennis in één vakgebied, terwijl je eigenlijk drie andere vakgebieden goed genoeg moet beheersen om dat specifieke probleem op te lossen.

Ik denk dus dat het antwoord ligt in interdisciplinair onderzoek, gecombineerd met mensen met zakelijke vaardigheden om het toegankelijk te maken voor het publiek; het is een uitgebreid proces met bepaalde inefficiënties op diverse punten. Dat verklaart het lage percentage technologieoverdracht.