Wykorzystanie systemów mikroelektromechanicznych (MEMS) do opracowania narzędzi diagnostycznych

Nazywam się U De Mercy, jestem głównym badaczem Bio Stick MAMs w laboratoriach medycznych. Zrobiłem doktorat na Uniwersytecie Stanforda z elektrotechniki. Odbyłem staż podoktorski w Harvard Medical School w MGH, pracując nad bioakustycznymi MAM-ami lub głównie bio-majsterszkami.

A teraz kontynuuję naukę jako wykładowca w Harvard Medical School, na Harvardzie, MIT Health Sciences and Technology. I kontynuując moje badania, które bardzo lubię. Praca, którą wykonywałem podczas mojego doktoratu, była bardzo związana z kropelkami i wykorzystaniem akustyki do generowania kropel o precyzyjnych rozmiarach oraz kontrolowania ich lokalizacji i położenia w celu osadzania bardzo wrażliwych polimerów.

Teraz stosujemy podobne technologie do kapsułkowania komórek w kropelkach, a następnie umieszczamy je na powierzchniach do różnych zastosowań w inżynierii tkankowej, aby drukować komórki na powierzchniach w celu modelowania komórek. Istnieją również aplikacje, w których chcesz zobaczyć, że możesz otoczyć kilka komórek lub pojedynczą komórkę lub z tej samej populacji i zobaczyć różnice między tą samą populacją z jednej komórki na drugą, możliwość enkapsulacji komórek w kropelkach z dużą przepustowością, taką jak szybkość 10 000 komórek na sekundę, staje się bardzo ważna i bardzo przydatna do zrozumienia problemów biologicznych. Powiedziałbym, że moje badania mają obecnie dwie nogi.

Jednym z nich jest praca nad enkapsulacją komórek, o której właśnie mówiłem. Jak upakować komórkę w kropelkę i jak możemy to robić wielokrotnie i niezawodnie bez uszkadzania komórek? Tak więc po tym, jak komórka zostanie wyrzucona lub zamknięta w kropelce, powinniśmy być w stanie precyzyjnie zlokalizować na powierzchni, na której komórka powinna być funkcjonalna, żywa i żywotna.

Nie powinny mu szkodzić skutki wyrzucenia i tak dalej. Obecnie mamy system, w którym używamy akustycznych fal skoncentrowanych na kroplach do generowania tych kropelek z otwartych basenów, gdzie możemy zamknąć się w pojedynczych komórkach w tych naprawdę małych kropelkach, które są porównywalne do rozmiaru komórki. To bardzo ekscytujące, jeśli chodzi o zastosowanie tego w drukowaniu komórkowym i inżynierii tkankowej.

Drugą stroną moich badań jest ponowne wykorzystanie technologii systemów mikroelektromechanicznych MAM do opracowania tanich narzędzi diagnostycznych. W większości przypadków badania te wykorzystują metody mikroprzepływowe, w których możemy wprowadzić krew pełną, bardzo małe objętości, takie jak krew z nakłucia palca, mniej niż 10 mikrolitrów, które można wprowadzić do chipa. I z tej krwi możemy kapsułkować lub wychwycić pewne subkomórkowe populacje z krwi pełnej.

Dlaczego jest to ważne? Dlaczego miałoby to być tanie w przypadku globalnych zastosowań zdrowotnych Na szczycie góry w Afryce chcesz być w stanie powiedzieć pacjentowi z HIV, na przykład, ile limfocytów T CD 4 ma ten pacjent. Ponieważ Światowa Organizacja Zdrowia twierdzi, że poniżej 200 CD cztery komórki na mikrolitr, musisz zacząć leczyć pacjentów W rozwiniętym świecie używa się cytometrów vert flow za setki tysięcy dolarów, aby móc uzyskać te dane.

I oczywiście potrzeba czasu na użycie i umiejętności, aby móc korzystać z tych ogromnych maszyn o rozmiarach stołów. Nasz mały chip może być wprowadzony do tego małego palca cegły 10 mikrolitrów pełnej krwi i wychwyci cztery komórki CD, wykorzystując powinowactwo białek powierzchniowych. A potem można szybko policzyć te komórki, które zostały przechwycone, ponieważ wiemy, że na powierzchni chipa znajdują się komórki CD 4, które są przyłączone do przeciwciał białek CD 4.

Kontrolując natężenie przepływu i ścinanie, można mieć pewność, że specyficzność i wydajność dla tych typów ogniw są zoptymalizowane. I oczywiście zawsze jest niespecyficzne wiązanie, ale dzięki naszemu czystemu podejściu minimalizujemy te efekty i upewniamy się, że błędy wynoszą od plus minus 10%, co jest wystarczające do podjęcia decyzji diagnostycznej lub prognostycznej na szczycie góry w Afryce. Ma to interesujące zastosowania dla globalnego zdrowia, a te tanie techniki, które są jednorazowego użytku, mogą mieć wpływ na kraje rozwinięte, ponieważ teraz te szybkie testy krwi, które są naprawdę tanie, mogą wpłynąć na testy, których używamy w krajach rozwiniętych.

Jeśli zostaną zoptymalizowane pod kątem wyższych poziomów wydajności i specyficzności, a nasze wstępne dane pokazują, że mogą być, to z pewnością wpłynie to na nasze życie. Kiedy po raz pierwszy skończyłem doktorat, wiedziałem więcej o mikrofluidyce i o tym, że w MAM bardziej niż cokolwiek innego, co mogłem zobaczyć, zwłaszcza w przypadku aplikacji kropelkowej, mogłem zobaczyć, że jeśli będę mógł drukować komórki i kapsułkować komórki lub manipulować kilkoma komórkami, pojedynczymi komórkami, to będzie to miało świetne zastosowania w dziedzinie biotechnologii. Byłem bardzo zainteresowany pracą nad rzeczami, które faktycznie wpłyną na życie ludzi.

Kiedyś stosowałem te technologie w przemyśle półprzewodników, ale potem chciałem być użyteczny bezpośrednio dla ludzi. To właśnie skierowało mnie w stronę problemów w służbie zdrowia. I dlatego właśnie dokonałem dużej zmiany i przyszedłem do szpitala, masowego szpitala ogólnego na staż podoktorski.

I tam, wiecie, byłem coraz bardziej narażony na problemy i wydaje się, i jest jasne, że jednym z największych problemów dzisiejszego świata jest globalne zdrowie i pojawiają się choroby takie jak gruźlica, HIV, które zabijają tysiące ludzi dziennie. I ci ludzie umierają nie dlatego, że nie ma leków, ale dlatego, że nie ma wystarczającej liczby narzędzi diagnostycznych, które są znacznie droższe niż istniejące leki. Znam więc bardzo dobrze stronę technologiczną.

Zdaję sobie sprawę, że zetknąłem się z problemami biologicznymi i im więcej się o nich dowiadywałem, tym bardziej widziałem, że mogę wywrzeć wpływ. I tak to wszystko się zaczęło. I trwa to do dziś.

Jak widziałem w biotechnologii i medycynie, jest tak wiele problemów, które bezpośrednio powodują utratę życia ludzi, a technologie, aspekt technologiczny i możliwość zastosowania go do rzeczywistych problemów medycznych to wspaniała, myślę, że ścieżka do naśladowania. Myślę, że to jest tak, jak cała ta dziedzina biotechnologii w pewnym sensie się rozwija i staje się bardzo wpływowa. Jeśli się nad tym zastanowić, rak HIV, to są wielcy zabójcy na świecie.

A obecne mikrotechnologie, obecne podejścia, mogą skorzystać na wczesnym wykrywaniu raka poprzez wychwytywanie tych komórek z krwi lub uczynienie ich naprawdę tanimi, co sprawi, że będą one dostępne dla mas. Myślę, że wszystkie te czynniki razem wzięte, cała ta technologia może mieć wpływ na przyszłość ludzi. Myślę, że w ten sposób wszystkie te rzeczy łączą się ze sobą.

A bycie w Harvard MIT nauki o zdrowiu i technologii, gdzie z jednej strony masz technologię, a z drugiej bezpośredni aspekt, bezpośredni dostęp do pacjentów, bezpośredni dostęp do lekarzy w Brigham and Women's Hospital, gdzie pracuję, to wspaniałe środowisko. bo każda osoba, z którą rozmawiasz, ma swoje problemy i możesz to być może pochodzi z innego środowiska, zapewniają interesujące rozwiązania tych istniejących problemów świata rzeczywistego. Myślę, że to jest sposób, w jaki widzę całą perspektywę tego, jak te problemy medyczne spotykają się ze stroną technologiczną.

Staramy się wpływać na życie ludzi w pozytywny sposób. W przypadku enkapsulacji pojedynczej komórki lub enkapsulacji komórek głównym wyzwaniem jest możliwość niezawodnej i powtarzalnej enkapsulacji pojedynczych komórek. Wyrzucasz więc 10 000 setek tysięcy komórek na sekundę.

A jak upewnić się, że każda wyrzucona kropla ma pojedynczą komórkę? Ta statystyka polega na tym, że zmieniasz rozmiar kropli i minimalizujesz, optymalizując rozmiar komórki w stosunku do rozmiaru kropli, co wiąże się ze starym problemem pakowania kulek w objętość i jaki jest najbardziej efektywny sposób, aby to zrobić. Jest to więc największe wyzwanie w obszarze druku komórkowego od strony technologicznej.

Innym aspektem jest to, że teraz możesz powiedzieć wydrukować i precyzyjnie zlokalizować te komórki. Jak można wytworzyć te trójwymiarowe tkanki, jak utrzymać je przy życiu i jak można je przeszczepić? Pojawia się biologiczny koniec problemów, w którym chcesz teraz dokładnie naśladować tkankę.

Mamy obecne podejścia, aby móc wydrukować oczko, oczko trzustki i być w stanie drukować przy użyciu komórek mięśni gładkich, tkanki pęcherza moczowego, bezpośrednio naśladując to, co jest w ludzkim lub czerwonym pęcherzu, abyśmy mogli stworzyć tę tkankę i sprawdzić, jak dobrze działa w porównaniu z istniejącymi w świecie rzeczywistym tkankami natywnymi. Myślę, że to jest główne wyzwanie, biorąc pod uwagę te nowatorskie technologie, jak można stworzyć idealną tkankę, którą można zastąpić, którą można przeszczepić, to jest, wiecie, największy problem od samego początku, ponieważ kontrola pojedynczej komórki daje możliwość jej precyzyjnego zlokalizowania. A potem, jak to wyhodować stamtąd?

Jest to więc coś, co można przeszczepić tam, gdzie pojawia się wpływ ludzkiego życia. Wyzwania związane z inżynierią tkankową, enkapsulacją południową i diagnostyką z wykorzystaniem mikrofluidyki, wyzwaniem jest możliwość wychwycenia komórki z miliardów komórek. To tak, jakbyś miał cząsteczkę cukru w puszce po soli i próbował wyciągnąć tę cząsteczkę cukru, a to jest jak jedna na miliard.

Więc ty, przetwarzasz mikrolitry na mililitry krwi pełnej i chcesz być w stanie konkretnie i wydajnie bez żadnych problemów technologicznych, takich jak zatykanie lub jakiekolwiek problemy biologiczne, takie jak niespecyficzne wiązanie, chcesz być w stanie wyizolować w jednej komórce z miliarda komórek w jednym mikrolitrze krwi pełnej, masz kilka milionów komórek. A w przypadku limfocytów T CD z czterema w tym jednym mikrolitrze, szukamy około tysiąca komórek na mikrolitr. Jest to więc problem jak jedna komórka na tysiąc, w przypadku którego pokazaliśmy, że jest to wykonalne.

Ale kiedy chcesz zająć się krążącymi komórkami nowotworowymi w poszukiwaniu raka, wyzwanie staje się jednym na miliard. Podsumowując, wyzwaniem jest to, jak uchwycić tę jedną komórkę spośród miliardów innych komórek wokół niej? A jakie są aspekty technologiczne?

Jakie są natężenia przepływu? Jaka jest konstrukcja urządzenia? Co, jakie są natężenia przepływu?

Co, jakie są objętości krwi, które muszą zostać przetworzone i jak upewnić się, że komórki, które chwytasz, są tymi, które faktycznie chciałeś uchwycić? Wszystkie te aspekty złożyły się na całe wyzwanie, które można podsumować w jednym zdaniu, a mianowicie, jak uchwycić tę jedną rzadką komórkę spośród miliarda innych? Jest to więc problem z igłą w stogu siana, co jest ekscytujące.

Myślę, że to właśnie technologie do przodu, aby rozwiązać te problemy, co jest obecnym wyzwaniem technologicznym. Możliwość doprowadzenia ich do poziomu, na którym wykonują pracę, którą powinni wykonać, to jedno. A potem zabranie go do kliniki i uczynienie z niego produktu wymaga różnych doświadczeń, takich jak możliwość założenia firmy, możliwość opatentowania tych rzeczy i wszystkie inne aspekty, które wchodzą w grę.

Myślę, że my, jako naukowcy, nie mamy tych wszystkich umiejętności, które pozwalają nam przenieść produkty z komputerów stacjonarnych na produkty. Pojawia się więc znowu znaczenie współpracy z ludźmi z różnych środowisk. Istnieje wiele technologii, które moim zdaniem mogą być bardzo skuteczne i użyteczne.

Czasami nie docierają do kliniki lub do użytku ludzkości, ponieważ po prostu się to nie wydarzyło, nie było odpowiedniego czasu lub pojawiły się inne efekty, o których właśnie mówiłem. A czasami nie ma bezpośredniego linku, którego nie można by zobaczyć, że technologia może faktycznie rozwiązać ten problem. A osoba, która zajmuje się problemem, powiedzmy, że biolodzy czy ludzie medycyny są przyzwyczajeni do robienia tego w jeden sposób przez wiele lat.

A ludzie zajmujący się technologią, w większości jeśli nie skupiasz się na biotechnologii, nie są świadomi problemów w medycynie. Zbliżenie tych dwóch stron jest więc poważnym badaniem interdyscyplinarnym. Myślę, że w ostatnich latach cały nacisk kładziony zarówno na poziomie NIH, jak i na to, co widzimy w laboratoriach badawczych i na uniwersytetach, polega na generowaniu interdyscyplinarnych badań.

Tak więc ludzie kończą studia doktoranckie, gdzie muszą znać wiele dziedzin. Na przykład do mojego doktoratu musiałem znać akustykę, musiałem znać memsy, musiałem znać mikrofluidykę i musiałem to zastosować do polimerów. Tak więc teraz widzicie bardzo głęboką wiedzę w jednej dziedzinie, podczas gdy musieliście znać naprawdę trzy inne dziedziny całkiem dobrze, aby móc rozwiązać ten problem.

Myślę więc, że odpowiedzią są interdyscyplinarne badania w połączeniu z ludźmi z umiejętnościami biznesowymi, aby udostępnić je ludziom, to cały duży proces i pewne nieefektywności, które pojawiają się w niektórych lokalizacjach. Powoduje to niski procent transferu technologii.