Inżynieria w skali mikro w biologii komórki
1 października 2007
Joel Goldman. Jestem profesorem adiunktem inżynierii elektrycznej i informatyki w MIT. Pracuję tutaj od pięciu lat.
Ogólnie rzecz biorąc, zajmujemy się inżynierią w mikroskali zastosowaną w biologii komórki. Nasze badania koncentrują się w dwóch głównych obszarach. Pierwszym z nich jest ogólnie cytometria komórkowa, obejmująca m.in. tworzenie platform w mikroskali służących do sortowania komórek.
W dużej mierze opiera się to na możliwości sortowania po mikroskopii, czyli zdolności do obrazowania, a następnie izolowania różnych komórek lub tworzenia określonych macierzy komórek, w których komórki typu A znajdują się obok komórek typu B i są poddane bodźcowi C – o takie funkcjonalności chodzi. Druga część laboratorium koncentruje się na mikrotechnologiach w biologii komórek macierzystych. Głównym obszarem zainteresowań są tam embrionalne komórki macierzyste, ze szczególnym uwzględnieniem procesu samoodnawiania.
Stosujemy kilka różnych podejść. Przeprowadzamy hodowle mikrofluidyczne, w których wykorzystujemy perfuzję cieczy, aby uzyskać lepszą kontrolę nad sygnalizacją dyfuzyjną. Wykonujemy również wzorcowanie kolonii, aby móc kontrolować interakcje między koloniami.
Następnie przeprowadzamy wzorowanie komórek i w tym miejscu zastosowanie znajduje bio flip chip, który jest w istocie metodą transportu pojedynczych komórek i rozmieszczania ich w określonych konfiguracjach. Badanie ich na płytce jest fantastycznym podejściem i w ciągu ostatnich 25 lat, korzystając z tej metody, mogliśmy dowiedzieć się bardzo wiele o biologii komórek macierzystych. Jest to zatem świetna metoda i jeśli przynosi zamierzone efekty, należy z niej korzystać.
Istnieją jednak sytuacje, w których kluczowa jest dodatkowa możliwość kontroli na poziomie skali komórkowej. Biorąc pod uwagę, jak ściśle regulowany jest rozwój in vivo, nie jest trudno wyobrazić sobie, że zdolność do kontrolowania interakcji między komórkami, podłoża, na którym się znajdują, oraz środowiska, w którym są zanurzone, w sposób zależny od czasu w skali komórkowej, będzie miała istotne znaczenie dla rozwoju tkanek. W przypadku morfogenezy i tego typu zdarzeń, podczas opracowywania terapii, niezwykle ważne jest rzeczywiste zrozumienie fundamentalnych podstaw biologicznych przyczyn danego zjawiska.
Wielu naszych urządzeń służy zatem do rozstrzygania fundamentalnych kwestii, takich jak pytanie, dlaczego embrionalne komórki macierzyste decydują się na samoodnawianie? Samoodnawianie w przeciwieństwie do różnicowania. Pojawia się również kwestia skalowania produkcji – w takim przypadku kluczowe jest zrozumienie, jakie czynniki mają istotne znaczenie dla tego procesu.
Zatem na przykład w przypadku bio flip chipa zaczynamy zadawać pytania o to, w jakich warunkach i w jaki sposób należy hodować komórki, aby zmaksymalizować interesujący nas parametr, taki jak wydajność wysiewu komórek niezróżnicowanych i tak dalej. Chodzi o tego typu kwestie. Po trzecie, powiązane z tym są wszystkie pytania dotyczące tego, dlaczego mysie komórki macierzyste iPSC różnią się od ludzkich komórek macierzystych iPSC?
Czym się one różnią? Czy jest to artefakt hodowlany? Czy jest to cecha fundamentalna?
W przypadku tego rodzaju pytań sądzę, że w ciągu najbliższych pięciu do 10 lat zaczną pojawiać się nowe terapie oparte na embrionalnych komórkach macierzystych, których zdaniem nie zaprezentowano jeszcze w pełni. Jednakże niektóre z ostatnich prac dotyczących przeprogramowania oraz punkty końcowe, które udaje się osiągnąć, są bardzo, bardzo imponujące.
Sądzę zatem, że o ile kilka lat temu powiedziałbym, że do tego momentu pozostało 20 lat, to teraz uważam, że jest to bliżej pięciu do 10 lat.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Joel Goldman, profesor adiunkt w MIT, specjalizuje się w inżynierii w skali mikro stosowanej w biologii komórki. Jego badania koncentrują się przede wszystkim na cytometrii komórkowej oraz opracowywaniu platform w skali mikro do sortowania komórek.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biologia komórki
- Inżynieria w skali mikro
- Cytometria przepływowa
Wstęp
- Badania nad technikami sortowania komórek.
- Zastosowanie zasad inżynieryjnych w kontekstach biologicznych.
- Opracowanie innowacyjnych platform w skali mikro.
- Interdyscyplinarne podejście łączące inżynierię i biologię.
Cel badania
- Udoskonalić metody sortowania komórek.
- Stworzyć wydajne platformy w skali mikro do zastosowań biologicznych.
- Poszerzyć wiedzę na temat zachowania komórek poprzez rozwiązania inżynieryjne.
Zastosowane metody
- Techniki inżynierii w mikroskali.
- Metodologie sortowania komórek.
- Projektowanie eksperymentów dla zastosowań biologicznych.
- Integracja badań inżynieryjnych i biologicznych.
Główne wyniki
- Opracowanie nowych platform w skali mikro.
- Udoskonalone techniki sortowania komórek.
- Zrozumienie zachowania komórek dzięki rozwiązaniom inżynieryjnym.
- Skuteczne zastosowanie inżynierii w biologii komórki.
Wnioski
- Inżynieria w skali mikro znacząco usprawnia badania z zakresu biologii komórki.
- Innowacyjne platformy mogą doprowadzić do przełomów w sortowaniu komórek.
- Podejścia interdyscyplinarne są kluczowe dla poszerzania wiedzy naukowej.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Inżynieria w mikroskali umożliwia precyzyjną kontrolę nad mikrośrodowiskami komórkowymi, wspierając mechaniczną weryfikację ryzyk w biologii komórek macierzystych oraz walidację celów dla terapii regeneracyjnych. Dzięki projektowaniu zdefiniowanych konfiguracji komórkowych i warunków sygnalizacyjnych badacze mogą analizować fundamentalne mechanizmy samoodnawiania i różnicowania, zwiększając wiarygodność prognostyczną modeli przedklinicznych. Takie podejście łączy biologię odkrywczą z istotnością translacyjną poprzez redukcję niejednoznaczności w decyzjach dotyczących losów komórek, które są kluczowe dla opracowywania terapii.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez kontrolowanie oddziaływań komórkowych, składu podłoża oraz ekspozycji na czynniki rozpuszczalne w skalach istotnych fizjologicznie.
- Wartość operacyjna: Wspiera funkcjonalną walidację celów terapeutycznych dzięki zdefiniowanym układom kokultur oraz testowaniu odpowiedzi na bodźce w systemach komórek macierzystych.
- Wartość prognostyczna: Zwiększa pewność w identyfikacji wiodących cząsteczek poprzez wyjaśnienie mechanizmów sterujących decyzjami o losie komórek macierzystych w kontrolowanych warunkach mikrośrodowiskowych.
Przesiewy i opracowanie testów analitycznych
- Gotowość analizy: Platformy w mikroskali, takie jak bio flip chip, ułatwiają przygotowanie zestandaryzowanych macierzy komórkowych w celu powtarzalnego przesiewania związków lub bodźców.
- Wyniki ilościowe: Umożliwia pomiar wydajności wysiewania, tworzenia kolonii oraz markerów różnicowania jako zmiennych zależnych w procesach przesiewowych.
- Skalowalność i ponowne wykorzystanie: Wspiera adaptację w różnych systemach modelowych (np. komórki macierzyste myszy vs. człowieka) w celu oceny odpowiedzi specyficznych dla gatunków we wczesnej fazie odkryć.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Umożliwia badanie różnic w zachowaniu komórek macierzystych specyficznych dla danego gatunku, co pomaga w dopasowaniu translacyjnych biomarkerów i wyborze modeli przedklinicznych.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Pozwala na zależną od czasu kontrolę komponentów niszy w celu naśladowania sygnalizacji rozwojowej, co zmniejsza niepewność w przewidywaniach dotyczących morfogenezy tkanek.
- Postęp dostosowany do ryzyka: Dostarcza danych na temat czynników skalowania istotnych dla kwestii produkcyjnych w przypadku terapii pochodnych z komórek macierzystych.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Technologia ta integruje procesy od wczesnej fazy odkrywania po etapy przedkliniczne, umożliwiając badanie zachowania komórek w oparciu o postawione hipotezy, wspierając standaryzację testów oraz dostarczając podstaw do decyzji translacyjnych dzięki kontroli mikrośrodowiska.
- Biologia odkrywcza: Ułatwia wyjaśnianie szlaków i ograniczanie ryzyka biologicznego poprzez izolację zmiennych w oddziaływaniach między komórkami macierzystymi a niszą.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość do przeprowadzania analiz dzięki standaryzowanemu wzorcowaniu komórek i hodowli opartej na perfuzji, co gwarantuje spójną ekspozycję na bodźce.
- Analityka: Generuje ilościowe odczyty odpowiedzi komórkowych (np. samoodnawianie vs. różnicowanie), umożliwiając porównawczą analizę warunków.
- Badania translacyjne: Łączą etap odkryć z pracami przedklinicznymi poprzez modelowanie warunków niszy istotnych dla człowieka oraz identyfikację konserwowanych mechanizmów regulacyjnych.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi modułową platformę, którą można dostosować do wielu typów komórek i projektów eksperymentalnych w ramach projektów badawczych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w biologii komórek macierzystych poprzez precyzyjną spatiotemporalną kontrolę mikrośrodowisk komórkowych.
- Wartość operacyjna: Zwiększa powtarzalność i standaryzację w analizach komórek macierzystych dzięki zdefiniowanym ograniczeniom geometrycznym i fluidycznym.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez zwiększenie pewności co do poprawności mechanizmu docelowego oraz redukcję ryzyka niepowodzenia biologicznego na późnych etapach.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów opartych na komórkach macierzystych z uwzględnieniem ryzyka dzięki ulepszowanemu modelowaniu predykcyjnemu wyników różnicowania.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie mikrofabricated, mikroprzepływów oraz technik hodowli komórek macierzystych.
- Zależny od dostępu do infrastruktury litografii miękkiej, formowania z PDMS oraz mikroskopii fluorescencyjnej.
- Konieczne jest wprowadzenie protokołów standaryzacji w zakresie wysiewania komórek, kontroli perfuzji i monitorowania środowiska pomiędzy zespołami.
- Wymaga uwzględnienia adaptacji przy przenoszeniu platform z systemów komórek macierzystych myszy na ludzkie ze względu na różnice w wymaganiach dotyczących niszy.
- Ograniczony przez przepustowość przy skalowaniu manipulacji pojedynczymi komórkami w ramach szeroko zakrojonych kampanii przesiewowych.
