BioMEMS: nawiązywanie nowych współprac pomiędzy biologami a inżynierami
1 listopada 2007
Nazywam się Newly John i pracuję w Departamencie Inżynierii Biomedycznej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine. Moje badania obejmują opracowywanie nowatorskich urządzeń biomedycznych oraz urządzeń mikroprzepływowych do badań nad neuronauką i komórkami macierzystymi. Bio-MEMS i mikroprzepływy to stosunkowo młoda dyscyplina, która rozwinęła się w ciągu ostatnich pięciu-dziesięciu lat i wykorzystuje wiele technik oraz doświadczeń opracowanych dla przemysłu układów scalonych.
W związku z tym wykorzystujemy metody i podejścia do miniaturyzacji opracowane dla układów scalonych, aby wytwarzać niewielkie urządzenia z małymi kanałami i zbiornikami, a następnie stosujemy je w zastosowaniach biologii komórki. Tradycyjnie większość eksperymentów biologicznych była przeprowadzana w skali szalki Petriego. W przypadku komórek, gdy analizujemy komórkę o średnicy około 10 µm, mamy w zasadzie do czynienia z małą komórką zanurzoną w dużej objętości cieczy.
Dzięki zastosowaniu urządzeń mikroprzepływowych możemy kontrolować środowisko wokół komórki. Komunikacja międzykomórkowa, jak i wpływ rozpuszczalnych czynników komórkowych, mogą być analizowane znacznie precyzyjniej niż podczas przeprowadzania doświadczeń w większej skali na szalce Petriego. Zatem te nowe osiągnięcia w dziedzinie mikroprzepływów niosą ze sobą duży potencjał w zakresie kontroli i powtarzalności w porównaniu z metodami konwencjonalnymi.
Nasze badania nad wykorzystaniem urządzeń mikroprzepływowych w analizie migracji komórek obejmują opracowywanie nowych urządzeń zdolnych do utrzymywania stałego gradientu rozpuszczalnych czynników nad komórkami, co pozwala nam badać reakcje komórek na różne czynniki wzrostu lub chemokiny. Wymaga to precyzyjnej kontroli przepływu płynów nad grupą komórek lub pojedynczymi komórkami, co jest kluczowe i fundamentalne w większości procesów biologicznych, takich jak morfogeneza, przerzuty nowotworowe oraz odpowiedź komórek odpornościowych. Podobnie jak w przypadku urządzeń mikroprzepływowych do generowania gradientów, układy do hodowli neuronów, a w szczególności neuronów komórkowych, stanowią nowy kierunek rozwoju w mikroprzepływach.
Dzięki tym urządzeniom jesteśmy w stanie izolować i oczyszczać frakcje aksonalne, a także uzyskiwać silnie spolaryzowane struktury. W tym przypadku, w porównaniu z konwencjonalnymi metodami, takimi jak komory z przegrodami, w których zapobieganie przeciekom oraz inne trudności eksperymentalne bywały problematyczne, urządzenia mikrofluidyczne oferują ogólnie bardziej powtarzalne wyniki, a jednocześnie zapewniają platformę kompatybilną optycznie, umożliwiającą wykonywanie mikroskopii o wysokiej rozdzielczości.
Urządzenie to jest wykorzystywane do przeprowadzania eksperymentów badających przebieg transportu aksonalnego. Dzięki zastosowaniu tego nowego urządzenia do mikrofluidycznej hodowli neuronów, wielu naszych współpracowników z całego kraju bada różne modele chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera, choroba Parkinsona i ALS. Miałem ogromne szczęście współpracować z wybitnymi specjalistami z wydziału neuronauki oraz patologii tutaj, na uc Irvine. Ściśle współpracuję z Car Kaman Stewart, Ed Monki oraz laboratorium Lisy Flanagan.
Nasza współpraca polega na regularnych spotkaniach i staraniach o zidentyfikowanie problemów, z którymi mierzą się biolodzy. Podczas tych regularnych spotkań odkrywamy, że mimo dostępności konwencjonalnych narzędzi, wciąż istnieje wiele zastosowań, w których my, jako inżynierowie biomedyczni, możemy odegrać istotną rolę w ulepszaniu i pogłębianiu zrozumienia tych badań biomedycznych. Na przykład nasza współpraca z laboratorium dr. Monkiego i dr. Flanagana w ciągu ostatnich pięciu lat była bardzo owocna.
Po pierwsze, nasi studenci mogą nauczyć się ścisłej współpracy w grupach z przedstawicielami różnych dyscyplin naukowych. Jednocześnie mieliśmy okazję mierzyć się z problemami w dziedzinie biologii komórek macierzystych. Na przykład hodowla i różnicowanie komórek macierzystych w urządzeniach mikroprzepływowych dostarczyły nowej perspektywy na to, jak komórki macierzyste zachowują się w gradiencie morfogenu, takiego jak BMP.
Sądzę, że tego typu współpraca będzie istotnym elementem przyszłej nauki, ponieważ coraz więcej inżynierów interesuje się badaniami biomedycznymi. Jednocześnie zapotrzebowanie na nowe narzędzia o nowych możliwościach w neurobiologii i innych dziedzinach nauk biologicznych rośnie, więc spodziewam się wielu owocnych kolaboracji, które znacząco popchną obszar badań biomedycznych do przodu. Ponadto uważam, że mikrofluidyka i biomimetyka znajdują się obecnie w ekscytującej fazie.
Praktycznie każdego dnia opracowywanych jest wiele nowych zastosowań. Przewiduję, że za pięć lat znacznie więcej biologów będzie wykorzystywać tego typu urządzenia w codziennych badaniach, w rutynowych eksperymentach, do badania migracji komórek lub w innych specjalistycznych celach. Ponieważ urządzenia te oferują wiele zalet w porównaniu do konwencjonalnych metod hodowli w szalkach Petriego, uważam, że jedynym ograniczeniem w opracowywaniu nowych typów zastosowań jest wyobraźnia.
Uważam, że bliska współpraca z biologami doprowadzi do stworzenia nowych typów urządzeń, które odegrają istotną rolę w przyszłym rozwoju badań biomedycznych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Newly John z University of California Irvine omawia swoje badania nad opracowaniem nowatorskich urządzeń biomedycznych i mikrofluidycznych do zastosowań w neuronaukach oraz badaniach nad komórkami macierzystymi. Ta rozwijająca się dziedzina wykorzystuje techniki z przemysłu układów scalonych do tworzenia zminiaturyzowanych urządzeń dla biologii komórki.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria biomedyczna
- Neuronauka
- Mikroprzepływy
Wstęp
- Mikrofluidyka to młoda dyscyplina, która rozwinęła się w ciągu ostatniej dekady.
- Wykorzystuje ona metody z przemysłu układów scalonych.
- Tradycyjne eksperymenty biologiczne są zazwyczaj przeprowadzane w większej skali, na przykład w szalkach Petriego.
- Komórki są często zanurzone w dużych objętościach cieczy, co może ograniczać precyzję eksperymentalną.
Cel badania
- Opracowanie niewielkich urządzeń z kanałami i zbiorniczkami do zastosowań w biologii komórki.
- Poprawa precyzji eksperymentów z wykorzystaniem małych komórek.
- Zbadanie potencjału miniaturyzacji w badaniach biomedycznych.
Zastosowane metody
- Opracowywanie nowatorskich urządzeń biomedycznych.
- Zastosowanie technik mikroprzepływowych.
- Wykorzystanie metod miniaturyzacji z zakresu układów scalonych.
- Projektowanie eksperymentów skoncentrowane na małoskalowych zastosowaniach biologicznych.
Główne wyniki
- Tworzenie urządzeń umożliwiających manipulowanie małymi objętościami cieczy.
- Zwiększona zdolność do przeprowadzania eksperymentów w skali mikro.
- Potencjał do uzyskania lepszych wyników w badaniach nad neuronauką i komórkami macierzystymi.
- Wykazanie zalet zminiaturyzowanych układów eksperymentalnych.
Wnioski
- Urządzenia mikroprzepływowe stanowią istotny postęp w badaniach biologicznych.
- Miniaturyzacja może prowadzić do bardziej precyzyjnych i kontrolowanych eksperymentów.
- Dalszy rozwój w tej dziedzinie mógłby odmienić neuronauki oraz zastosowania komórek macierzystych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Urządzenia mikroprzepływowe umożliwiają precyzyjną kontrolę mikrośrodowiska komórkowego, rozwiązując kluczowy problem w neuronauce i badaniach nad komórkami macierzystymi, w których konwencjonalne modele na szalkach Petriego nie zapewniają odpowiedniej rozdzielczości przestrzennej i czasowej. Technologia ta wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka poprzez umożliwienie izolacji płynnej przedziałów aksonalnych i somatycznych, co ułatwia prowadzenie badań nad ukierunkowanym uszkodzeniem oraz zbieranie czystych frakcji do dalszych analiz. Platforma ta zwiększa pewność prognostyczną w walidacji celów i opracowywaniu testów poprzez poprawę powtarzalności oraz umożliwienie obrazowania żywych komórek w wysokiej rozdzielczości.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez płynną izolację przedziałów neuronalnych w celu badania specyficznych dla danego przedziału odpowiedzi na rozpuszczalne czynniki szkodliwe.
- Wartość operacyjna: Wspiera funkcjonalną walidację celów poprzez utrzymanie spolaryzowanych struktur neuronalnych przez okres do 2-3 tygodni, co pozwala na podłużną ocenę transportu aksonalnego i degeneracji.
- Wartość prognostyczna: Zwiększa pewność w badaniach nad oddziaływaniem na cele poprzez redukcję zmienności eksperymentalnej dzięki precyzyjnej kontroli mikrootoczenia i powtarzalnym gradientom płynowym.
Przesiewy i opracowanie analizy
- Wartość naukowa: Zapewnia standaryzowaną platformę do przygotowywania zwalidowanych układów biologicznych z separacją fluidyczną, umożliwiając niezawodny screening związków w oddzielnych przedziałach aksonalnych lub somatycznych.
- Wartość operacyjna: Zwiększa powtarzalność i skalowalność testów dzięki zastosowaniu precyzyjnie formowanych części polimerowych oraz kompatybilności z mikroskopią DIC, fazokontrastową, konfokalną i dwufotonową.
- Użyteczność platformy: Wspiera dalsze analizy biochemiczne, takie jak PCR na czystych frakcjach aksonalnych, co zwiększa gotowość do screeningu w celu wyjaśnienia celów i szlaków sygnałowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Znaczenie translacyjne: Modeluje uszkodzenia OUN i neurodegenerację, umożliwiając lokalne dostarczanie toksyn lub agregatów do przedziałów aksonalnych przez okres do 20 godzin po wymianie medium.
- Ciągłość przedkliniczna: Łączy etap odkryć z walidacją przedkliniczną, umożliwiając długoterminowe hodowle oraz immunocytochemię w ustalonych punktach końcowych w celu oceny wyników strukturalnych i funkcjonalnych.
- Postęp z uwzględnieniem ryzyka: Wspiera podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go), dostarczając ilościowych odczytów specyficznych dla danego przedziału, co zmniejsza niejednoznaczność mechanistyczną w badanych szlakach sygnałowych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Mikrofluidyczna platforma hodowli neuronalnych integruje się z kontinuum badawczym – od testowania hipotez, przez identyfikację związków wiodących, aż po walidację przedkliniczną, wspierając iteracyjne cykle projektowania i testowania w rozwoju neuroterapii.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez poprzez umożliwienie precyzyjnej kontroli czasowo-przestrzennej gradientów czynników rozpuszczalnych w celu badania chemotaksji, morfogenezy i odpowiedzi komórek odpornościowych w formacie redukcjonistycznym.
- Screening: Zapewnia gotowość do przeprowadzania analiz dzięki optycznie kompatybilnym, odizolowanym hydraulicznie przedziałom, które pozwalają na równoległą ocenę związków bez ryzyka kontaminacji krzyżowej.
- Analityka: Generuje ilościowe pomiary zmiennych zależnych, takich jak intensywność fluorescencji aksonalnej, prędkość transportu oraz molekularne profile oparte na PCR z oczyszczonych frakcji.
- Badania translacyjne: Integruje się z przepływami pracy przedklinicznymi poprzez modelowanie mechanizmów patologii OUN, takich jak degeneracja aksonalna i deficyty transportu istotne w chorobie Alzheimera i chorobie Parkinsona.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako platforma wielokrotnego użytku w różnych projektach dzięki swojej adaptacyjności do różnych typów neuronów, pochodnych komórek macierzystych i testów czynników rozpuszczalnych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w walidacji celu poprzez redukcję szumu biologicznego oraz umożliwienie mechanistycznego ograniczania ryzyka dzięki perturbacjom specyficznym dla poszczególnych przedziałów.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i powtarzalność dzięki precyzyjnemu formowaniu i kontroli przepływu płynów, minimalizując zmienność między poszczególnymi studzienkami oraz eksperymentami.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową poprzez redukcję wyników fałszywie dodatnich we wczesnym screeningu oraz zmniejszenie odsetka niepowodzeń na późniejszych etapach dzięki lepszej wierności biologicznej.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację kandydatów na leki neuroterapeutyczne z uwzględnieniem ryzyka, dzięki profilowaniu skuteczności i toksyczności z rozdzielczością przedziałową.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy z zakresu projektowania mikroprzepływowego, hodowli neuronów oraz obrazowania żywych komórek w celu optymalizacji wykonania urządzenia i konfiguracji eksperymentalnej.
- Zależy od dostępu do narzędzi do produkcji układów mikroprzepływowych, systemów kontroli ciśnienia zapewniających izolację hydrostatyczną oraz kompatybilnych platform mikroskopowych.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej pomiędzy inżynierami a biologami w celu zapewnienia spójnego działania urządzenia i interpretacji danych.
- Wiąże się z koniecznością dostosowania parametrów przy rozszerzaniu zastosowań poza neurony OUN na inne typy komórek, takie jak komórki macierzyste lub komórki odpornościowe, ze względu na różnice w ich właściwościach adhezyjnych i migracyjnych.
- Ograniczone koniecznością stosowania technik aseptycznych oraz protokołów wymiany medium w celu utrzymania izolacji płynowej podczas długotrwałych okresów hodowli (2-3 tygodnie).
