Opracowanie nowych zastosowań terapeutycznych z wykorzystaniem mikroprzepływów

Nazywam się Mamed Toner. Z wykształcenia jestem inżynierem mechanikiem, a następnie specjalizowałem się w inżynierii biomedycznej i naukach biomedycznych. Jestem członkiem kadry naukowej w Massachusetts General Hospital, Harvard Medical School oraz w dziale Health Sciences and Technology na Harvardzie i MIT, gdzie badam różne zastosowania inżynierii biomedycznej w medycynie – od wykrywania pospolitych komórek we krwi, które można zidentyfikować bardzo szybko, po modyfikowanie ich fizjologii, aby zrozumieć funkcjonowanie tych komórek w stanie chorobowym, na przykład w przypadku stanu zapalnego, oparzenia lub u pacjenta z urazem.

Próbujemy zrozumieć odpowiedź wrodzonego układu odpornościowego oraz sposób, w jaki komórki krwi regulują odpowiedź zapalną w tego typu przypadkach, analizując ich genomikę i proteomikę. W takich przykładach kluczowe jest wyizolowanie tych komórek bez zmiany ich fizjologii, poziomów ekspresji i tak dalej. W związku z tym badamy naturalną fizjologię leżącego u podstaw problemu, a nie artefakt wynikający z manipulacji komórkami.

Innymi zastosowaniami będą urządzenia typu point-of-care, takie jak układy w ramach globalnego zdrowia publicznego, które mogłyby mierzyć interesujące nas komórki w celu określenia momentu rozpoczęcia terapii, na przykład poziom limfocytów CD4+. Pracujemy zatem nad opracowaniem chipów, które mogłyby wykrywać i zliczać komórki CD4+ z wykorzystaniem technologii mikroprzepływowych mikrochipów, a bardziej złożone zastosowania będą dotyczyć tzw. detekcji rzadkich komórek. W medycynie klinicznej zazwyczaj zajmujemy się powszechnie występującymi komórkami i staramy się zrozumieć fizjologię pacjenta na ich podstawie.

W rzeczywistości jednak wiele procesów fizjologicznych lub patofizjologicznych jest kontrolowanych przez znacznie rzadsze populacje komórek, takie jak komórki dendrytyczne, komórki macierzyste i komórki regulatorowe, a w przypadku nowotworów – krążące komórki nowotworowe. Dlatego interesuje nas wykrywanie rzadkich komórek, które w rzeczywistości determinują odpowiedź na różne rodzaje leczenia, a także mogą być wykorzystane diagnostycznie. Jest to zatem bardzo szeroki aspekt zastosowania mikrofluidyki i osadzania komórek na chipach w licznych zastosowaniach diagnostycznych i terapeutycznych.

Wczesne badania w dziedzinie mikroprzepływów koncentrowały się przede wszystkim na konstrukcji, korzystając z narzędzi technologii mikrosystemów opracowanych dla zastosowań typu układy scalone oraz stosując systemy miniaturyzacji dla koncepcji typu lab-on-a-chip, w ramach których opracowywano m.in. mikroprzepływową cytometrię, systemy mikroelektroforezy oraz systemy mikrochromatografii. Dzięki tym badaniom nad miniaturyzacją dowiedzieliśmy się wiele o tym, jak łączyć systemy biologiczne z mikrosystemami. Tym, czego w tej dziedzinie do tej pory brakowało, były kluczowe zastosowania – sukcesy, które można by określić mianem „hitów”, czyli technologie o dużym znaczeniu klinicznym.

Nasze laboratoria, szczególnie ze względu na usytuowanie w dużym szpitalu badawczym, koncentrują się na badaniu istotnych, umożliwiających zastosowań tych technologii i poszukiwaniu obszarów, w których możemy rozwiązać problemy, których nie dałoby się rozwiązać w inny sposób. Przykładem w kontekście globalnego zdrowia publicznego i walki z AIDS jest tani, jednorazowy chip, który pozwala na wykrycie i wyizolowanie limfocytów dodatnich z krwi pełnej, pobranej z nakłucia palca, i który posiada cechy analizy w punkcie opieki (point-of-care). Jeśli ta technologia odniesie sukces, będzie ona wykorzystywana przez miliony ludzi.

W związku z tym produkcja tych elementów, skalowanie ich wytwarzania oraz zastosowanie w aplikacjach o wysokim stopniu oddziaływania stało się obszarem, na którym ostatnio skupiliśmy naszą uwagę, podobnie jak wielu innych badaczy w tej dziedzinie. Uważam, że to właśnie tutaj nastąpią przełomowe postępy w odnajdywaniu istotnych zastosowań tych technologii w medycynie klinicznej i naukach biologicznych. Te same narzędzia są również wykorzystywane w bardzo pomysłowy sposób do badania fundamentalnych procesów biologicznych, takich jak analiza interakcji międzykomórkowych, badanie reakcji komórek na sygnały środowiskowe czy bardzo precyzyjna kontrola mikrośrodowiska komórek i tkanek, co może posłużyć do zrozumienia podstawowych procesów regulujących odpowiedź biologiczną. Zastosowania te obejmują koncepcje typu „żyjącej biblioteki”, nad którymi pracujemy, gdzie klony komórek zostaną znakowane w taki sposób, aby raportowały ekspresję różnych genów, a następnie zostaną umieszczone w bardzo złożonej sieci mikroprzepływowej i poddane tysiącom różnych warunków w ramach jednego eksperymentu.

Można monitorować w czasie rzeczywistym ekspresję genów w tych komórkach, które są znakowane specyficznie – różne klony są znakowane różnymi genami. Kluczową kwestią, a w mojej opinii jednym z największych problemów w tej dziedzinie, jest sposób translacji tych odkryć w ramach nauk podstawowych lub tych nowoczesnych technologii, tak rzeczą sobie, na nowe terapie lub istotne zastosowania biologiczne; jest to dziedzina niezwykle multidyscyplinarna.

Potrzebni są inżynierowie, fizycy, biolodzy, neurobiolodzy, w zależności od zastosowań. Dlatego w mojej opinii łączenie tych dyscyplin było jednym z największych wyzwań. Większość wczesnych odkryć została dokonana przez inżynierów i fizyków, którzy nie posiadali odpowiedniego przygotowania ani zrozumienia problemów biologicznych.

Jednak w ostatnim czasie biolodzy dostrzegają, że różnice między tymi różnymi dyscyplinami znacznie się zacierają, ponieważ zarówno ze strony biologii, jak i grup multidyscyplinarnych, takich jak nasza, rośnie zainteresowanie zastosowaniem tych narzędzi w medycynie klinicznej i biologii. Moim zdaniem ten aspekt multidyscyplinarny jest jedną z kluczowych kwestii wpływających na wdrażanie tych pomysłów. Kolejnym istotnym elementem jest pomost pomiędzy nauką a przemysłem.

Wiele z tych pomysłów powstaje w środowisku akademickim, lecz są one bardzo złożone i obejmują komórki, skomplikowane procesy biologiczne, a także trudne zagadnienia z zakresu inżynierii, produkcji i pakowania. W związku z tym przekładanie tych technologii na grunt komercyjny wymaga ogromnej uwagi. Część tego ciężaru spoczywa na barkach przemysłu.

Sposób wdrażania fundamentalnych przełomów w przemyśle nie jest prostym procesem, szczególnie gdy wiążą się one z badaniami klinicznymi i próbkami biologicznymi. W związku z tymi dwoma kwestiami, interdyscyplinarny charakter tej dziedziny oraz proces przenoszenia wyników z nauki do przemysłu mogą stanowić dwie główne przeszkody, z którymi musimy się zmierzyć w nadchodzących latach. Istnieje jednak wiele grup pracujących nad tymi zagadnieniami i widzę bardzo ekscytującą przyszłość dla zastosowań tego, co nazywam miniaturowymi technologiami – mikro i nanotechnologii – w medycynie i biologii.