Ontwikkeling van nieuwe therapeutische toepassingen met Microfluidics

Mijn naam is Mamed Toner. Ik ben oorspronkelijk opgeleid in de werktuigbouwkunde en later in de biomedische technologie en wetenschappen. Ik ben verbonden aan het Massachusetts General Hospital, de Harvard Medical School en de afdeling Health Sciences and Technology van Harvard en MIT, waar ik onderzoek doe naar diverse toepassingen van biomedische technologie in de geneeskunde; variërend van het opsporen van specifieke cellen in het bloed die zeer snel in hun fysiologie kunnen worden gewijzigd, zodat men de fysiologie van deze cellen in een ziektestaat kan begrijpen, bijvoorbeeld bij een ontsteking, een brandwond of bij een gewonde patiënt.

En bij het proberen te begrijpen van de respons van het aangeborene immuunsysteem en het begrijpen van hoe bloedcellen de ontstekingsreactie reguleren in dit soort gevallen, en bij het bestuderen van hun genomics en proteomics. In dat soort voorbeelden is het doel om deze cellen te isoleren zonder hun fysiologie en expressieniveaus en dergelijke te veranderen. Je onderzoekt dus de natuurlijke fysiologie van het onderliggende probleem en niet een artefact van de manier waarop de cellen zijn behandeld.

Andere toepassingen zullen point-of-care-apparaten zijn, zoals chips voor wereldwijde gezondheidszorg die cellen van belang kunnen meten om de start van een therapie te bepalen, zoals het niveau van CD4-positieve lymfocyten. Daarom werken we aan de ontwikkeling van chips die CD4-positieve cellen kunnen vinden en tellen met behulp van microfluidische microchiptechnologie, en complexere toepassingen zullen liggen in wat we detectie van zeldzame cellen noemen. In de geneeskunde, de klinische geneeskunde, hebben we gewoonlijk te maken met veelvoorkomende cellen en proberen we de fysiologie van de persoon op basis van die cellen te begrijpen.

Maar in werkelijkheid worden veel van de fysiologische of pathofysiologische processen aangestuurd door veel minder algemene cellen, zoals dendritische cellen, stamcellen en regulatoire cellen, of in het geval van kanker, circulerende tumorcellen. We zijn daarom geïnteresseerd in het vinden van zeldzame cellen die daadwerkelijk de respons op verschillende behandelingen bepalen en die bovendien als diagnostisch middel kunnen worden ingezet. Het gebruik van microfluidica en het plaatsen van cellen op chips voor een reeks diagnostische en therapeutische toepassingen is dus een zeer breed aspect.

Vroege studies in de microfluidica waren primair gericht op de constructie, waarbij gebruik werd gemaakt van de instrumenten uit de microsysteemtechnologieën die waren ontwikkeld voor toepassingen van het type geïntegreerde schakelingen, en het toepassen van geminiaturiseerde systemen voor lab-on-a-chip concepten, waarbij men micro-flowcytometrie, micro-elektroforesesystemen en micro-chromatografiesystemen ontwikkelde. Uit deze miniaturisatiestudies hebben we veel geleerd over hoe biologische systemen kunnen worden gecombineerd met microsystemen. Wat tot nu toe in het vakgebied ontbrak, waren grote toepassingen; succesvolle toepassingen die we 'blockbusters' noemen of toepassingen met een grote klinische impact van deze technologieën.

Aangezien onze laboratoria zich in een groot onderzoekshospitaal bevinden, ligt de focus op het verkennen van zinvolle, faciliterende toepassingen van deze technologieën en het identificeren van gebieden waarop we problemen kunnen oplossen die anders onoplosbaar zouden zijn. Neem bijvoorbeeld de toepassing voor wereldwijde gezondheidszorg in het geval van AIDS: een zeer goedkope, wegwerpbare chip die gebruikt kan worden om positieve lymfocyten te detecteren in volbloed, afkomstig van een vingerprik, en die beschikt over point-of-care eigenschappen. Indien succesvol, zal deze technologie door miljoenen mensen worden gebruikt.

Het produceren van deze zaken, het opschalen ervan en het gebruik ervan in toepassingen met een grote impact is waar wij, net als velen anderen in dit vakgebied, ons recentelijk op hebben gericht. Ik verwacht dat daar de grote vooruitgang in het veld zal plaatsvinden, namelijk in het vinden van betekenisvolle toepassingen van deze technologieën in de klinische geneeskunde en de biologische wetenschappen. Dezelfde instrumenten worden ook op zeer ingenieuze wijze onderzocht om fundamentele biologische processen aan te pakken, zoals het onderzoeken van cel-celinteracties, het bestuderen van hoe cellen reageren op omgevingssignalen en het zeer nauwkeurig beheersen van de micro-omgeving van cellen en weefsels, wat vervolgens kan worden gebruikt om de fundamentele processen die de biologische respons reguleren te begrijpen. De toepassingen hiervan zien we bijvoorbeeld in concepten zoals levende bibliotheken waar wij aan werken, waarbij cellen — klonen van cellen — worden gelabeld om verschillende genen te rapporteren, waarna ze in een zeer complex microfluïdisch netwerk kunnen worden geplaatst en in één experiment aan duizenden verschillende condities kunnen worden blootgesteld.

En u kunt de real-time genexpressie monitoren van deze cellen die zijn getagd met spec, waarbij verschillende klonen zijn getagd met verschillende genen. Een kritiek punt, en naar mijn mening een van de grootste uitdagingen in het vakgebied, is hoe deze te vertalen. Sommige van de fundamentele wetenschappelijke bevindingen of deze indrukwekkende technologieën, zo gezegd, omzetten in nieuwe therapieën of betekenisvolle biologische toepassingen; het is een zeer multidisciplinair veld.

U heeft ingenieurs nodig, u heeft natuurkundigen nodig, u heeft biologen nodig, neurobiologen, afhankelijk van de toepassingen. Daarom is het overbruggen van de disciplines naar mijn mening een van de grootste uitdagingen geweest. De meeste vroege ontdekkingen werden gedaan door ingenieurs en natuurkundigen zonder goede training of begrip van de biologische vraagstukken.

Maar recentelijk ontdekken biologen ook dat de kloof tussen deze verschillende disciplines de afgelopen jaren aanzienlijk is verkleind, omdat zowel de interesse vanuit de biologie als vanuit multidisciplinaire groepen, zoals de onze, in de toepassingen van deze instrumenten binnen de klinische geneeskunde en biologie is gegroeid. Voor mij is dit multidisciplinaire aspect een van de belangrijkste kwesties die de vertaling van deze ideeën beïnvloeden. Het andere aspect is de brug tussen de academische wereld en de industrie.

Veel van deze ideeën ontstaan in de academische wereld, maar ze zijn zeer complex en omvatten cellen, complexe biologische processen en daarnaast ook complexe vraagstukken op het gebied van engineering, productie en verpakking. Daarom vereist de vertaling naar commercialisering van deze technologieën een enorme hoeveelheid aandacht. Een deel van die last ligt op de schouders van de industrie.

Het omzetten van fundamentele doorbraken naar de industrie is geen eenvoudig proces, vooral wanneer klinische studies en biologische monsters betrokken zijn. Gezien deze twee kwesties zijn de multidisciplinaire aard van het vakgebied en de vertaling van de academische wereld naar de industrie wellicht de twee grootste hindernissen die we in de komende jaren moeten aanpakken. Er zijn echter veel groepen die aan deze vraagstukken werken en ik zie een zeer veelbelovende toekomst voor de toepassingen van wat ik minuscule technologieën noem, micro- en nanotechnologieën in de geneeskunde en biologie.