Dubbellaags microfluïdisch apparaat voor de productie van combinatorische pluggen
1 december 2023
De fabricage van een dubbellaags apparaat op basis van polydimethylsiloxaan (PDMS) voor de productie van combinatorische bibliotheken in water-in-olie-emulsies (pluggen) wordt hier gepresenteerd. De benodigde hardware en software die nodig zijn om de productie van stekkers te automatiseren, worden gedetailleerd beschreven in het protocol en de productie van een kwantitatieve bibliotheek van fluorescentiestekkers wordt ook gedemonstreerd.
Wij van de leerstoelgroep Systeembiologie voor Oncologie gebruiken een gecombineerde computationele en experimentele benadering om het ingewikkelde mechanisme te ontrafelen dat de micro-omgeving van de tumor vormgeeft. We gebruiken wiskundige modellen op basis van klinische gegevens en kankerbiologie om factoren te identificeren die van invloed zijn op de individuele respons op therapie, met als uiteindelijk doel de precisie-oncologie te verbeteren. Gezien de heterogene en dynamische aard van de tumorrespons op therapie, heeft de verstoringsbiologie het potentieel aangetoond om de beperking van genomische biomarkers te overwinnen.
Onze aanpak omvat het onderwerpen van receptieve tumorcellen aan een uitgebreide screening van geneesmiddelen tegen kanker om fenotypische eigenschappen van tumoren te identificeren om effectievere behandelingen tegen kanker te bepalen. Microfluïdica is een waardevolle technologie die helpt bij de analyse van een kleine hoeveelheid monster, zoals tumorbiopsie, door deze te verdelen in individuele compartimenten zoals druppeltjes of pluggen. Het maakt het ook mogelijk om de samenstelling van elke plug te beheersen, waardoor meerdere populaties van chemisch verschillende pluggen worden gecreëerd.
We presenteren hier een volledig PDMS-gebaseerd apparaat waarbij de vloeistofstroom wordt geregeld door drukgestuurde aardbevingskleppen, die de snelle, gecontroleerde en programmeerbare productie van verschillende plugpopulaties mogelijk maken. Bovendien, aangezien de aardbevingskleppen ook op PDMS zijn gebaseerd, kunnen ze soepel worden geïntegreerd in de fabricage van het apparaat. Het combineren van gegevens verkregen uit combinatorische screening van kankercellen met oogdoorvoer met wiskundige modellen zal ons in staat stellen signaalroutes te bestuderen die het gedrag van de micro-omgeving van de tumor reguleren.
Dit onderzoek zal de weg vrijmaken voor nieuwe strategieën voor precisie-oncologie die de grondgedachte bieden om de behandeling te personaliseren voor individuele patiënten.
Overzicht
Dit artikel beschrijft de vervaardiging van een PDMS-gebaseerd dubbellaags apparaat, ontworpen voor de productie van combinatorische bibliotheken in water-in-olie emulsies. Het protocol specificeert de benodigde hardware en software voor het automatiseren van de productie van plugs en demonstreert de creatie van een kwantitatieve bibliotheek van fluorescerende plugs.
Belangrijke componenten van de studie
Wetenschappelijk gebied
- Microfluidica
- Combinatorische screening
- Kankerbiologie
Achtergrond
- De tumormicro-omgeving is complex en dynamisch.
- Precisie-oncologie streeft ernaar de behandeling te personaliseren op basis van individuele responsen.
- Microfluidica maakt de analyse van kleine monsters mogelijk door het creëren van afzonderlijke compartimenten.
- PDMS-apparaten maken een gecontroleerde vloeistofstroom mogelijk voor een efficiënte productie van plugs.
Doel van de studie
- Om een apparaat te ontwikkelen voor het produceren van afzonderlijke plugpopulaties voor kankeronderzoek.
- Om experimentele gegevens te combineren met wiskundige modellen voor een beter begrip van het tumorgedrag.
- Om strategieën voor precisie-oncologie te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Fabricage van een microfluïdisch apparaat op basis van PDMS.
- Gebruik van drukgestuurde Quake-kleppen voor vloeistofregulatie.
- Geautomatiseerde productie van pluggen via softwarematige aansturing.
- Generatie van een combinatorische bibliotheek van fluorescerende pluggen.
Belangrijkste Resultaten
- Een kwantitatieve bibliotheek van plugs is succesvol gegenereerd.
- Het apparaat vertoonde een effectieve regulatie van de vloeistofstroom.
- De integratie van mathematische modellen met experimentele data is beschreven.
- Potentiële toepassingen in de precisie-oncologie zijn besproken.
Conclusies
- Het PDMS-gebaseerde apparaat is een waardevol instrument voor kankeronderzoek.
- Het vergemakkelijkt de productie van chemisch verschillende plugpopulaties.
- Deze benadering kan leiden tot verbeterde strategieën voor de behandeling van kanker.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de industrie
Hoog-doorvoer combinatorische plug-productie met behulp van dubbellaagse microfluïdische apparaten maakt snelle, programmeerbare screening van medicijnresponsen in beperkte patiëntafgeleide monsters mogelijk. Deze technologie pakt de uitdaging aan om kwantitatieve, chemisch verschillende reactiecompartimenten te genereren voor fenotypische screening en pathway-analyse in de oncologie. De integratie met computationele modellering ondersteunt de voorspellende betrouwbaarheid en mechanische risicoreductie op kritieke beslismomenten tijdens het ontdekkingsproces.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt systematische perturbatie van tumorcellen mogelijk om therapeutische hypothesen te onderzoeken en signaleringspaden te verduidelijken.
- Ondersteunt biologische risicoreductie door diverse chemische omgevingen te genereren voor functionele targetvalidatie.
- Faciliteert voorspellend vertrouwen bij targetselectie door middel van kwantitatieve, gemultiplexte screeningoutputs.
Screening & Assayontwikkeling
- Bereidt gevalideerde, geminiaturiseerde biologische systemen voor op downstream high-throughput screening-workflows.
- Levert gestandaardiseerde, reproduceerbare plug-populaties met programmeerbare samenstelling en hoeveelheid.
- Maakt schaalbare, geautomatiseerde assay-ontwikkeling mogelijk voor betrouwbare evaluatie van verbindingen en uitbreiding van bibliotheken.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Rijgt combinatorische screening uit met ziekterelevante systemen met behulp van tumorbiopten afgeleid van patiënten.
- Handhaaft translationele continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door experimentele en computationele gegevens te integreren.
- Biedt mechanistische risicovermindering voor precisie-oncologiestrategieën door fenotypische drugresponsies in kaart te brengen.
Integratie van Pipeline & Workflow
Dit dubbellaags microfluidisch platform is geschikt voor elke fase, van vroege ontdekking tot lead-identificatie en preklinisch onderzoek, in het bijzonder binnen pipelines die gericht zijn op oncologie.
- Discovery Biology: Ondersteunt hypothesetoetsing en pathway-verduidelijking door gecontroleerde perturbatie-experimenten in nanoliter-compartimenten mogelijk te maken.
- Screening: Levert assay-klare, reproduceerbare plug-libraries met kwantitatieve output voor comparatieve analyse.
- Analytics: Biedt high-content, kwantitatieve metingen voor statistische vergelijking van drug-responsen en pathway-activiteiten.
- Translationeel Onderzoek: Slaat een brug tussen de discovery- en preklinische fasen door direct gebruik van patiëntafgeleide monsters in combinatorische screens mogelijk te maken.
- Enterprise Hergebruik: Biedt een programmeerbaar, schaalbaar platform dat aanpasbaar is aan diverse screening- en assay-ontwikkelingsbehoeften binnen verschillende therapeutische gebieden.
Operationele en organisatorische impact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen en vermindert mechanistische ambiguïteit bij de validatie van targets en pathways.
- Operationele waarde: Standaardiseert en automatiseert de productie van plugs voor reproduceerbaarheid en schaalbaarheid in screening-workflows.
- Strategische waarde: Verbetert de kwaliteit van go/no-go-beslissingen en de kapitaalefficiëntie door het mogelijk maken van robuuste, gemultiplexte datageneratie.
- Impact op portfolio: Ondersteunt risico-gecorrigeerde prioritering en voortgang van kandidaten op basis van kwantitatieve, fenotypische screeninggegevens.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in de fabricage van microfluïdische apparaten en drukgestuurde vloeistofdynamica.
- Necessiteert integratie van programmeerbare hardware, software en analytische infrastructuur voor geautomatiseerde werking.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor de codering van plugsamenstelling en databeheer.
- Aanpasbaar aan diverse modelsystemen, maar optimalisatie voor verschillende celtypen of reagentia kan noodzakelijk zijn.
- Operationele druklimieten en drempelwaarden voor klepactivering moeten voor elke toepassing worden gevalideerd.
