BioMEMS: het aangaan van nieuwe samenwerkingen tussen biologen en ingenieurs
1 november 2007
Mijn naam is Newly John en ik ben verbonden aan het Department of Biomedical Engineering aan de University of California Irvine. Mijn onderzoek richt zich op de ontwikkeling van innovatieve biomedische apparaten en microfluïdische apparaten voor neurowetenschappelijk onderzoek en stamcelonderzoek. Bio-MEMS en microfluïdische systemen zijn relatief jonge disciplines die zich de afgelopen vijf tot tien jaar hebben ontwikkeld en gebruikmaken van veel technieken en expertise die zijn ontwikkeld voor de geïntegreerde schakelingenindustrie.
Wat we doen is het gebruikmaken van miniaturisatiemethoden en -benaderingen die zijn ontwikkeld voor geïntegreerde schakelingen om kleine apparaten met kleine kanalen en reservoirs te vervaardigen, en dit toe te passen voor celbiologische toepassingen. Traditioneel werden de meeste biologische experimenten uitgevoerd op de schaal van een Petrischaal. Wanneer we dus kijken naar een cel, die ongeveer 10 microns in diameter is, hebben we in feite een kleine cel die is ondergedompeld in een groot volume vloeistof.
Met behulp van microfluïdische apparaten kunnen we de omgeving rondom de cel beheersen. De cel-celcommunicatie, evenals de invloed van oplosbare celdfactoren, kan veel preciezer worden gestuurd dan wanneer het experiment op grotere schaal in een Petrischaal wordt uitgevoerd. Deze nieuwe ontwikkelingen in de microfluïdiek bieden daarom veel potentie wat betreft controle en reproduceerbaarheid ten opzichte van conventionele methoden.
Ons onderzoek naar het gebruik van microfluïdische apparaten voor celmigratieonderzoek omvat de ontwikkeling van nieuwe apparaten die een stabiele gradiënt van oplosbare factoren over de cellen kunnen handhaven, zodat we kunnen bestuderen hoe de cellen reageren op verschillende groeifactoren of chemokines. Dit vereist een precieze controle van de vloeistofstroom over een groep cellen of individuele cellen, wat zeer belangrijk en fundamenteel is in de meeste biologische processen, zoals morfogenese, kankermetastase en de immuunrespons van cellen. Vergelijkbaar met deze microfluïdische apparaten voor het genereren van gradiënten, is de ontwikkeling van apparaten voor het kweken van neuronen en met name com-neuronen een nieuwe ontwikkeling binnen de microfluïdica.
Met deze apparaten zijn we in staat om axonale fracties te isoleren en te zuiveren en daarnaast zeer gepolariseerde structuren te verkrijgen. In dit geval, vergeleken met conventionele assays zoals void- en chamber-systemen, waarbij het soms moeilijk was om lekkage en andere experimentele complicaties te voorkomen, bieden microfluïdische apparaten over het algemeen meer reproduceerbare resultaten. Tegelijkertijd bieden ze een optisch compatibel platform waarop we microscopie met een hoge resolutie kunnen uitvoeren.
Dit apparaat wordt gebruikt om experimenten uit te voeren naar de wijze waarop axonaal transport plaatsvindt. Met dit nieuwe microfluïdische apparaat voor neuronale kweek onderzoeken veel van onze samenwerkingspartners in het hele land verschillende neurodegeneratieve modellen, zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson en ALS. Ik had het grote geluk om uitstekende samenwerkingspartners te hebben in de afdeling neurowetenschappen en de afdeling pathologie hier aan UC Irvine. Ik werk nauw samen met Car Kaman Stewart, Ed Monki en het laboratorium van Lisa Flanagan.
Onze samenwerkingen bestaan uit regelmatige overleggen om te achterhalen tegen welke problemen de biologen aanlopen. Tijdens deze regelmatige bijeenkomsten merken we dat, hoewel er conventionele instrumenten beschikbaar zijn, er nog steeds veel toepassingen zijn waarin wij als biomedisch ingenieurs een significante rol kunnen spelen in de verbetering en het begrip van dit biomedisch onderzoek. Zo is onze samenwerking met het laboratorium van Dr. Monki en Dr. Flanagan gedurende de afgelopen vijf jaar zeer productief geweest.
Ten eerste kunnen onze studenten leren hoe ze nauw kunnen samenwerken met groepen uit verschillende wetenschappelijke disciplines. Tegelijkertijd hebben we het geluk gehad om problemen in de stamcelbiologie aan te pakken. Zo bood het kweken en differentiëren van stamcellen in microfluïdische apparaten een nieuw perspectief op hoe stamcellen zich gedragen in een gradiënt van een morfogeen zoals BMP.
En ik denk dat dit type samenwerking een belangrijk onderdeel zal zijn van de toekomstige wetenschap, naarmate steeds meer ingenieurs geïnteresseerd raken in biomedisch onderzoek. Tegelijkertijd neemt de behoefte aan nieuwe instrumenten met nieuwe mogelijkheden vanuit de neurowetenschappen en andere biowetenschappelijke velden toe; ik verwacht dat er veel vruchtbare samenwerkingen zullen ontstaan die het veld van het biomedisch onderzoek echt vooruit zullen helpen. Bovendien denk ik dat het vakgebied van de microfluidica en biomes zich in een opwindende fase bevindt.
Er worden vrijwel dagelijks veel nieuwe toepassingen ontwikkeld. Ik verwacht dat er over vijf jaar veel meer biologen zullen zijn die dit type apparaten gebruiken voor dagelijks onderzoek, routine-experimenten, celmigratie of andere speciale doeleinden. Omdat deze apparaten veel voordelen bieden ten opzichte van conventionele methoden op basis van Petri-schalen, denk ik dat de verbeelding de enige grens is voor het ontwikkelen van nieuwe soorten toepassingen.
En ik geloof dat een nauwe samenwerking met biologen zal leiden tot nieuwe typen apparaten, die een belangrijke rol zullen spelen in de toekomstige vooruitgang van het biomedisch onderzoek.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Newly John van de University of California Irvine bespreekt zijn onderzoek naar de ontwikkeling van innovatieve biomedische en microfluïdische apparaten voor neurowetenschappelijk onderzoek en stamcelonderzoek. Dit opkomende vakgebied maakt gebruik van technieken uit de geïntegreerde schakelingenindustrie om geminiaturiseerde apparaten te creëren voor toepassingen in de celbiologie.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Biomedische Techniek
- Neurowetenschappen
- Microfluïdica
Achtergrond
- Microfluidica is een jong vakgebied dat zich de afgelopen tien jaar heeft ontwikkeld.
- Het maakt gebruik van methoden uit de geïntegreerde schakelingenindustrie.
- Traditionele biologische experimenten maken doorgaans gebruik van grotere schalen, zoals petrischalen.
- Cellen zijn vaak ondergedompeld in grote volumes vloeistof, wat de experimentele precisie kan beperken.
Doel van de studie
- Het ontwikkelen van kleine apparaten met kanalen en reservoirs voor toepassingen in de celbiologie.
- Het verbeteren van de precisie van experimenten met kleine cellen.
- Het verkennen van het potentieel van miniaturisering in biomedisch onderzoek.
Gebruikte methoden
- Ontwikkeling van nieuwe biomedische apparaten.
- Toepassing van microfluïdische technieken.
- Gebruik van miniaturisatiemethoden uit geïntegreerde schakelingen.
- Experimenteel ontwerp gericht op biologische toepassingen op kleine schaal.
Belangrijkste resultaten
- Creatie van apparaten die kleine volumes vloeistof kunnen manipuleren.
- Verbeterd vermogen om experimenten op microschaal uit te voeren.
- Potentieel voor verbeterde resultaten in neurowetenschappelijk onderzoek en stamcelonderzoek.
- Demonstratie van de voordelen van geminiaturiseerde experimentele opstellingen.
Conclusies
- Microfluïdische apparaten vormen een belangrijke vooruitgang in het biologisch onderzoek.
- Miniaturisering kan leiden tot nauwkeurigere en beter gecontroleerde experimenten.
- Verdere ontwikkeling op dit gebied zou toepassingen in de neurowetenschappen en stamcelbiologie kunnen transformeren.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Directie
Microfluïdische apparaten maken een precieze controle van cellulaire micro-omgevingen mogelijk, wat een belangrijke uitdaging oplost in de neurowetenschappen en stamcelonderzoek, waar conventionele Petri-schaalmodellen tekortschieten in ruimtelijke en temporele resolutie. Deze technologie ondersteunt mechanistische risicoreductie door vloeistofisolatie van axonale en somale compartimenten mogelijk te maken, wat gerichte insultstudies en de verzameling van zuivere fracties voor downstream-analyse faciliteert. Het platform vergroot het voorspellende vertrouwen bij doelwitvalidatie en assay-ontwikkeling door de reproduceerbaarheid te verbeteren en high-resolution live-cell imaging mogelijk te maken.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door middel van fluïdische isolatie van neuronale compartimenten om compartimentspecifieke reacties op oplosbare insulten te bestuderen.
- Operationele waarde: Ondersteunt functionele doelwitvalidatie door gepolariseerde neuronale structuren tot 2-3 weken in stand te houden, waardoor longitudinale beoordeling van axonaal transport en degeneratie mogelijk is.
- Voorspellende waarde: Verhoogt het vertrouwen in studies naar target engagement door experimentele variabiliteit te verminderen via nauwkeurige controle van de micro-omgeving en reproduceerbare fluïdische gradiënten.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Biedt een gestandaardiseerd platform voor het voorbereiden van gevalideerde biologische systemen met vloeistofscheiding, waardoor betrouwbare compound-screening in afzonderlijke axonale of somale compartimenten mogelijk is.
- Operationele waarde: Verbetert de reproduceerbaarheid en schaalbaarheid van assays door precisie-geperste polymeeronderdelen en compatibiliteit met DIC, fasecontrast, confocale en tweefotonmicroscopie.
- Nut van het platform: Ondersteunt downstream biochemische analyses, zoals PCR op zuivere axonale fracties, wat de screening gereedheid voor target- en pathway-elucidatie verhoogt.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Translationele relevantie: Modelleert letsel aan het centraal zenuwstelsel en neurodegeneratie door gelokaliseerde toediening van toxicanten of aggregaten aan axonale compartimenten mogelijk te maken tot 20 uur na het vervangen van het medium.
- Preklinische continuïteit: Slaat een brug tussen ontdekking en preklinische validatie door longitudinale kweek en immunocytochemie met een vastgesteld eindpunt toe te staan om structurele en functionele uitkomsten te beoordelen.
- Risico-gecorrigeerde voortgang: Ondersteunt go/no-go beslissingen door kwantitatieve, compartimentspecifieke read-outs te bieden die mechanistische ambiguïteit in doelpaden verminderen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Het microfluïdische platform voor neuronale culturen is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van hypothesetoetsing via lead-identificatie tot preklinische validatie, ter ondersteuning van iteratieve design-testcycli bij de ontwikkeling van neurotherapeutica.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt hypothesetoetsing door nauwkeurige spatiotemporele controle over gradiënten van oplosbare factoren mogelijk te maken om chemotaxis, morfogenese en immuuncelresponsen in een reductionistisch formaat te bestuderen.
- Screening: Biedt assay-gereedheid via optisch compatibele, fluidisch geïsoleerde compartimenten die parallelle evaluatie van verbindingen zonder kruiscontaminatie mogelijk maken.
- Analytiek: Genereert kwantitatieve metingen van afhankelijke variabelen, zoals axonale fluorescentie-intensiteit, transportsnelheid en PCR-gebaseerde moleculaire profielen uit gezuiverde fracties.
- Translationeel onderzoek: Sluit aan op preklinische workflows door mechanismen van CNS-pathologie te modelleren, zoals axonale degeneratie en transportdefecten die relevant zijn voor de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson.
- Bedrijfsmatige herbruikbaarheid: Functioneert als een herbruikbaar platform over verschillende projecten heen vanwege de aanpasbaarheid aan diverse neuronale typen, stamcelderivaten en assays voor oplosbare factoren.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen bij targetvalidatie door biologische ruis te verminderen en mechanische risicoreductie mogelijk te maken via compartimentspecifieke perturbatie.
- Operationele waarde: Zorgt voor standaardisatie en reproduceerbaarheid via precisiegieten en fluïdische controle, waardoor variabiliteit tussen wells en experimenten wordt geminimaliseerd.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door fout-positieven in vroege screening te verminderen en uitval in een laat stadium te beperken dankzij een betere biologische getrouwheid.
- Impact op portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde prioritering van neurotherapeutische kandidaten mogelijk via compartiment-opgeloste effectiviteits- en toxiciteitsprofielering.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in microfluïdisch ontwerp, neuronale kweek en live-cell imaging om de fabricage van het device en de experimentele opstelling te optimaliseren.
- Afhankelijk van toegang tot microfluïdische fabricagetools, drukregelsystemen voor hydrostatische isolatie en compatibele microscopieplatforms.
- Noodzaakt standaardisatie tussen de engineering- en biologieteams voor een consistente werking van het device en data-interpretatie.
- Omvat overwegingen voor adaptatie bij uitbreiding buiten CNS-neuronen naar andere celtypen, zoals stamcellen of immuuncellen, vanwege verschillen in adhesie- en migratie-eigenschappen.
- Beperkt door de noodzaak van aseptische technieken en protocollen voor mediumverversing om de fluïdische isolatie gedurende langere kweekperioden (2-3 weken) te behouden.
