biomems i biologia komórkowa: perspektywy i zastosowania

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

Zdolność do hodowli komórek zrewolucjonizowała weryfikację hipotez w podstawowych badaniach z zakresu biologii komórki i biologii molekularnej. Stała się ona standardową metodologią w przesiewaniu leków, toksykologii i testach klinicznych, a coraz częściej znajduje zastosowanie w medycynie regeneracyjnej. Jednak tradycyjna metodologia hodowli komórkowych, polegająca w zasadzie na zanurzeniu dużej populacji komórek w jednorodnym medium płynnym i na jednorodnym płaskim podłożu, stała się coraz bardziej ograniczająca zarówno z perspektywy fundamentalnej, jak i praktycznej. Technologie mikrofabrykacji umożliwiły badaczom projektowanie z mikrometryczną precyzją składu biochemicznego i topologii podłoża, składu medium, a także rodzaju komórek sąsiadujących w otaczającym mikrośrodowisku komórkowym. Ponadto mikrotechnologia jest koncepcyjnie odpowiednia do opracowywania szybkich i niskokosztowych systemów in vitro, które pozwalają na wysokoprzepustową hodowlę i analizę komórek w bardzo wielu wariantach warunków. W tym wywiadzie Albert Folch wyjaśnia te ograniczenia, sposób ich przezwyciężenia za pomocą miękkiej litografii i mikrofluidyki oraz opisuje istotne przykłady badań prowadzonych w jego laboratorium i przyszłe kierunki rozwoju.

BioMEMS i biologia komórkowa: perspektywy i zastosowania

Zdolność do hodowli komórek zrewolucjonizowała weryfikację hipotez w podstawowych badaniach z zakresu biologii komórkowej i molekularnej. Stała się ona standardową metodologią w ...

Nazywam się Albert Falk. Jestem profesorem na University of Washington w Seattle i zajmuję się szeroko pojętymi systemami BioMEMS, czyli biomedycznymi mikroelektromechanicznymi systemami. Pracujemy nad mikrofluidyką, koncentrując się na zastosowaniach w biologii komórki, przede wszystkim w neuronauce.Jednym z celów laboratorium jest próba przezwyciężenia ograniczeń tradycyjnej technologii hodowli komórkowej. Jeśli przyjrzeć się sposobowi, w jaki biolodzy komórkowi badają komórki in vitro, w szalce Petriego, można natychmiast zauważyć, że komórki są zanurzone w jednorodnej pożywce hodowlanej i spoczywają na jednorodnej powierzchni. Jednak w organizmie komórki nie znajdują się na jednorodnej powierzchni.Komórki te nie są zanurzone w jednorodnym medium. W rzeczywistości są one narażone na różnorodne sygnały, które zmieniają się w przestrzeni i czasie, często przyjmując formę gradientów, a otacza je macierz o charakterze żelowym. Istnieją również pewne ograniczenia praktyczne – podczas badania komórek w szalce Petriego niezbędny jest inkubator, który stanowi duży i kosztowny element wyposażenia.Zazwyczaj biolodzy chcą badać wiele różnych warunków. Przykładowo, chcą badać komórki w kulturze komórkowej A i kulturze komórkowej B. Sposób, w jaki komórki reagują na te związki, charakteryzuje się dużą zmiennością. Dlatego biolodzy zazwyczaj umieszczają komórki w różnych szalkach Petriego, wykonując pomiary prawdopodobnie w trzech powtórzeniach, a następnie badają szereg warunków, co w efekcie prowadzi do zużycia dużej ilości pożywki do hodowli komórkowej, materiałów eksploatacyjnych i szalek, co z kolei zajmuje dużo miejsca.Staramy się zatem to zminiaturyzować i jest to jeden z aspektów tego procesu. Ponadto wymiana komórek oraz pożywki do hodowli komórkowej wymaga bardzo częstego pipetowania. Jest to niezwykle kosztowne pod względem czasu i personelu, jakich wymaga ta procedura, a także ilości płynów, które muszą zostać wprowadzone do szalki Petriego i z niej usunięte.Kolejnym ograniczeniem jest fakt, że aby wypełnić wszystkie powierzchnie komórkami, należy użyć ich bardzo dużej liczby, co często wymaga poświęcenia wielu zwierząt. Może to być również kosztowne ze względu na samą skalę zapotrzebowania. Podsumowując, tradycyjne techniki generują ostatecznie wysokie koszty.Są one bardzo kosztowne, zarówno pod względem czasu i personelu niezbędnego do przeprowadzenia jakiegokolwiek eksperymentu, jak i uzyskiwanych w praktyce wyników; biolodzy często muszą iść na kompromis w kwestii liczby dostępnych powierzchni lub badanych warunków. W rezultacie prowadzi to do uzyskiwania danych o niskiej istotności statystycznej. Wnioski w typowym badaniu biologicznym są bardzo jakościowe według standardów inżynieryjnych, co sprawia, że wszystkie te badania nie są skalowalne.Staje się to obecnie dużym problemem w erze genomiki, kiedy badacze chcą analizować ogromną liczbę warunków i wielu zmiennych, a także poszukiwać nowych zmiennych i nowych zjawisk komórkowych, które mogą zostać ujawnione jedynie poprzez badanie dużych populacji komórek w różnych warunkach. Techniki mikrofabrykacji zapewniają nam zatem kilka zalet, które wykorzystujemy z różnych powodów. Istnieją korzyści przede wszystkim z punktu widzenia fundamentalnego – podobnie jak w mikroelektronice, gdzie tranzystory działają lepiej, ponieważ są mniejsze.Tutaj również budujemy urządzenia, które operują w skalach rzędu badanych obiektów, którymi są komórki. Technologia mikrowytwarzania pozwala przezwyciężyć te ograniczenia na wiele sposobów; po pierwsze, umożliwia ona badanie pojedynczych komórek w bardzo dużych liczbach.Dzięki temu można natychmiast wyciągnąć bardzo ilościowe wnioski. Pozwala to również na przeprowadzanie tanich eksperymentów. Ponadto systemy te są bardzo niedrogie w produkcji, co oznacza, że w cenie jednego urządzenia można wykonać ich wiele.Ponadto są one tanie w eksploatacji, ponieważ są proste w obsłudze i bardzo podatne na automatyzację. Te zalety, takie jak niski koszt wykonania i niskie koszty eksploatacji, przekładają się na bardzo udane wdrożenia komercyjne. Wreszcie, systemy te są bardzo podatne na projektowanie ilościowe.Jest to bardzo ważne, ponieważ w ten sposób możemy modelować zachowanie, na przykład urządzenia mikrofluidycznego lub proces wytwarzania powierzchni i dokładnie wiedzieć, jak będzie ono działać. Następnie wracamy do projektu; odbywa się to poprzez modelowanie. Na tym etapie nie udajemy się jeszcze do laboratorium.Gdy wszystko zadziała w teorii, udajemy się do laboratorium w celu implementacji, co pozwala zaoszczędzić mnóstwo czasu. Jedną z głównych technologii stosowanych w naszym laboratorium jest tzw. soft lithography (litografia miękka). Jest to rodzina pokrewnych technik opracowanych przez George'a Whiteside'a z Harvardu na początku lat dziewięćdziesiątych. Opierają się one na replikacji i formowaniu materiału, którym jest przezroczysty elastomer zwany Polydimethylsiloxane, lub PDMS; biolodzy znają go pod nazwą handlową Sylgard 184 produkowaną przez Dow Corning.Jest to w zasadzie przezroczysta guma, która stanowi urządzenie. Można ją zginać i, jak wspomniałem, można ją formować; można ją wielokrotnie odlewać z tej samej formy, przy czym to właśnie forma jest kosztowna w wykonaniu. Natomiast sam materiał kupujemy w wiadrach.Jest to, wiecie, nie jest to zbyt kosztowne. Ponadto jest to bardzo biokompatybilne. Można na tym nawet wysiewać komórki.Jest on stosowany w implantach. Inną istotną zaletą jest jego przezroczystość, co ma kluczowe znaczenie dla mikroskopii biologicznej, która, jak wiadomo, jest bardzo ważną metodą analizy w badaniach biologicznych. Procedura formowania, co można zobaczyć na filmach z laboratorium, jest bardzo prosta i bezpośrednia.Polega to po prostu na wymieszaniu dwóch składników. Jak wiadomo, każdy jest w stanie to zrobić. To jak z gotowaniem i wstawieniem potrawy do piekarnika.Nawet mój czteroletni syn przyszedł do laboratorium i faktycznie przygotował gumę. Jest to więc naprawdę proste. Mikrofluidyka to nauka o zachowaniu płynów.W małych kanałach, jak Państwo wiedzą, nie można rzucić kamienia pod wodę. Dzieje się tak dlatego, że siły tarcia między kamieniem a wodą są bardzo duże w porównaniu z siłą, jaką mu nadajemy. Coś podobnego dzieje się w małym kanale, gdzie sytuacja jest odwrotna.Woda jest obiektem, który się porusza, a ściany wokół niej wywierają na nią duże tarcie; ze względu na wysoki stosunek powierzchni do objętości w mikrokanałach ściany mają bardzo silny wpływ. Zatem siły bezwładności są bardzo małe w porównaniu z siłami lepkości i tarciem wywołanym przez ściany. Ponieważ dominują siły lepkości, w mikrokanałach nigdy nie występuje turbulencja, zatem mamy do czynienia z reżimem przepływu znanym jako przepływ laminarny, ponieważ płyn płynie w warstwach.Przykład pokazany tutaj ilustruje sytuację, w której różne strumienie nie mogą się mieszać, ponieważ płyną obok siebie. Brak jest turbulencji, które przyspieszałyby mieszanie, tak jak dzieje się to podczas mieszania kawy w filiżance. Ponieważ siły lepkości dominują i bardzo trudno jest wywołać turbulencje w mikrokanale, oznacza to, że dwa strumienie łączące się w jednym kanale nie będą się mieszać, a jedynie bardzo powoli poprzez dyfuzję.Wykorzystujemy teraz tę właściwość, aby wystawić różne części populacji komórek lub nawet pojedynczą komórkę na działanie różnych cieczy. Robimy to, ponieważ tak właśnie dzieje się in vivo. Wewnątrz organizmu komórki są narażone na gradienty substancji, często w sposób bardzo przejściowy.Ponieważ wiemy dokładnie, jak modelować zachowanie płynów, w tym dyfuzję różnych substancji w strumieniu płynu, znamy stężenie, na jakie wystawiona jest komórka oraz jaką część komórki dotyczy dane stężenie. Pozwala nam to na prowadzenie bardzo ilościowych badań nad ekspozycją komórek na konkretną substancję. Jako przykład wykorzystania przepływu laminarnego do badania komórek, prowadzimy w laboratorium projekt, w którym staramy się zasymulować sytuację, w której komórka mięśniowa jest pobudzana przez neuron.Zatem w trakcie rozwoju dochodzi do sytuacji, w której nerw w pewnym momencie dociera do mięśnia i wydziela substancję zwaną agryną, która bierze udział w powstawaniu synapsy. To, co robimy, jest w rzeczywistości koncepcyjnie bardzo proste. Umieszczamy komórki mięśniowe w urządzeniu i poddajemy je przepływowi, który zawiera agrynę jedynie w środkowej części strumienia.Dzięki temu możemy przyjąć założenie, że urządzenie pełni funkcję nerwu, a komórki mięśniowe znajdujące się w urządzeniu stanowią rzeczywisty mięsień podczas rozwoju. Innym przykładem, w którym mikrofluidyka okazuje się niezwykle skuteczna, są badania nad prowadzeniem aksonów. Tutaj koncepcja polega na wykorzystaniu faktu, że potrafimy bardzo precyzyjnie przewidzieć dyfuzję cieczy w małych objętościach w celu wytworzenia gradientów substancji.Podczas rozwoju gradienty są w części odpowiedzialne za to, w jaki sposób komórki nerwowe odnajdują swoje cele. Staramy się zatem odtworzyć ten proces w szalce Petriego, wewnątrz mikrokanału; zmysł powonienia jest fascynującym systemem sensorycznym.Neurony w nosie, powiedzmy myszy, wyrażają każdy z osobna tylko jeden typ receptora węchowego. U myszy istnieje około tysiąca różnych genów receptorów węchowych. Każdy receptor wiąże zakres substancji zapachowych, a każda substancja zapachowa wiąże się z kilkoma receptorami.W związku z tym wierzymy, że sposób, w jaki wykrywamy zapachy, odbywa się w sposób kombinatoryczny; w tradycyjnych badaniach nad receptorami trudno jest znaleźć dopasowania między dużą liczbą substancji zapachowych a konkretnym receptorem lub między jedną substancją zapachową a dużą liczbą receptorów. Wynika to z faktu, że bardzo trudno jest poddać dowolny neuron lub neuron sensoryczny węchowy działaniu szerokiego spektrum substancji zapachowych, a w drugą stronę – przy danej substancji zapachowej – bardzo trudno jest poddać działaniu wszystkie neurony w nabłonku węchowym. Dlatego nasze podejście polegało na pobraniu nabłonka węchowego, rozdrobnieniu go do postaci pojedynczych, odizolowanych komórek i umieszczeniu ich w układzie w postaci dużej mikromacierzy z mikrodołkami, tak aby w każdym mikrodołku znajdowała się jedna komórka.W polu widzenia zazwyczaj znajduje się dziesiątki tysięcy neuronów, które obrazujemy za pomocą obrazowania wapniowego, a następnie analizujemy wzorce aktywacji tej dużej liczby neuronów w odpowiedzi na substancje zapachowe oraz grupy zapachów. Pozwala nam to mieć pewność, że w przypadku każdego wybranego zapachu analizujemy całą przestrzeń receptorów węchowych. Można założyć, że na tej macierzy reprezentowany jest przynajmniej jeden lub kilka receptorów.W ten sposób wiemy, że możemy zadawać pytania dotyczące na przykład tego, ile komórek wyczuwających banan jednocześnie wyczuwa cytrynę. Te techniki mikrofluidyczne i mikrowzorowania są w rzeczywistości dość proste, a powodem, dla którego nie zostały one szerzej przyjęte w biologii komórki, jest moim zdaniem różnica kulturowa między inżynierami a biologami. Biolodzy są zazwyczaj nieco niechętni, jeśli nie wręcz odporni, na nowe technologie, natomiast inżynierowie zazwyczaj nie są zbyt biegli w biologii komórki lub biologii w ogóle.Uważam, że w najbliższej przyszłości będziemy świadkami sytuacji, w której biolodzy nie będą musieli pukać do drzwi kogoś takiego jak ja. Będą w stanie zaprojektować proste urządzenie, przekazać projekt do odlewni, na przykład odlewni aluminium, a następnie otrzymać gotowe urządzenie kurierem w ciągu jednego lub dwóch dni, co znacznie ułatwi im samodzielną realizację eksperymentu.

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

Research

JoVE Journal

Biology

Biologia

University of Washington.  BioMEMS i biologia komórkowa: perspektywy i zastosowania

Zdolność do hodowli komórek zrewolucjonizowała weryfikację hipotez w podstawowych badaniach z zakresu biologii komórki i biologii molekularnej. Stała się ona standardową metodologią w przesiewaniu leków, toksykologii i testach klinicznych, a coraz częściej znajduje zastosowanie w medycynie regeneracyjnej. Jednak tradycyjna metodologia hodowli komórkowych, polegająca w zasadzie na zanurzeniu dużej populacji komórek w jednorodnym medium płynnym i na jednorodnym płaskim podłożu, stała się coraz bardziej ograniczająca zarówno z perspektywy fundamentalnej, jak i praktycznej. Technologie mikrofabrykacji umożliwiły badaczom projektowanie z mikrometryczną precyzją składu biochemicznego i topologii podłoża, składu medium, a także rodzaju komórek sąsiadujących w otaczającym mikrośrodowisku komórkowym. Ponadto mikrotechnologia jest koncepcyjnie odpowiednia do opracowywania szybkich i niskokosztowych systemów in vitro, które pozwalają na wysokoprzepustową hodowlę i analizę komórek w bardzo wielu wariantach warunków. W tym wywiadzie Albert Folch wyjaśnia te ograniczenia, sposób ich przezwyciężenia za pomocą miękkiej litografii i mikrofluidyki oraz opisuje istotne przykłady badań prowadzonych w jego laboratorium i przyszłe kierunki rozwoju.

BioMEMS i biologia komórkowa: perspektywy i zastosowania

W tym artykule

Streszczenie

Przedruki i uprawnienia

Tagi