BioMEMS e Biologia Celular: Perspectivas e Aplicações

Eu sou Albert Falk. Sou professor da Universidade de Washington em Seattle e trabalho na ampla área de biomas, que significa sistemas microeletromecânicos biomédicos. E trabalhamos em microfluídica e nos concentramos em aplicações em biologia celular, principalmente em neurociência.

Um dos focos do laboratório é tentar superar as limitações da tecnologia tradicional de cultura de células. Se você olhar para a maneira como os biólogos celulares estudam as células, in vitro em uma, em uma placa de Petri, você notará imediatamente que as células são banhadas em um meio de cultura de células homogêneo, e elas também estão sentadas em uma, em uma superfície que é homogênea. No entanto, no corpo, as células não estão em uma superfície homogênea.

Eles não são banhados, em um meio homogêneo. Eles são realmente expostos a uma variedade de sinais que mudam no espaço e no tempo, muitas vezes a forma de gradientes, e são cercados por um tipo de matriz de gel. Existem também algumas limitações práticas quando você estuda células em uma placa de Petri, você precisa de uma incubadora, que é um equipamento grande e caro.

Normalmente, os biólogos querem estudar várias condições diferentes. Eles querem estudar células em uma, digamos, em uma cultura de células A e cultura de células B. Há muita variabilidade em como as células respondem a esses compostos. Então, normalmente, os biólogos colocam as células em diferentes placas de Petri e eles, talvez eles façam isso em triplicata e, em seguida, eles estudam uma variedade de condições para, então eles acabam usando muita cultura de células, meio, muitos suprimentos, muitos pratos, e isso ocupa muito espaço.

Então, tentamos miniaturizar isso, e esse é um aspecto disso. Além disso, a troca e a colocação das células e a troca do meio de cultura de células, isso requer muita pipetagem. Isso é muito caro em termos de quantidade de tempo e pessoal que envolve, e também a quantidade de fluidos que precisam ser colocados dentro e fora da placa de Petri.

Outra limitação é que, para preencher todas as superfícies com células, você precisa usar um grande número de células, e isso geralmente requer o sacrifício de muitos animais. E também pode ser, pode ser caro apenas por causa dos números absolutos. Portanto, o resultado final é que as técnicas tradicionais acabam custando muito dinheiro.

Eles são muito caros, tanto em termos de tempo e pessoal necessários para usá-los para implementar qualquer experimento quanto os rendimentos na prática, os biólogos acabam comprometendo o número de superfícies que existem, ou as condições que estão sendo estudadas. E por isso lida com dados estatisticamente muito fracos. As conclusões em um estudo biológico típico são muito qualitativas para os padrões de engenharia e, portanto, acaba que todos esses estudos não são escaláveis.

Então, e isso está se tornando um grande problema agora com a era da área do genoma, onde as pessoas querem estudar um grande número de condições, muitas variáveis e, para encontrar novas variáveis, novos fenômenos celulares que só podem ser revelados estudando um grande número de células e condições. Portanto, as técnicas de microfabricação nos oferecem várias vantagens que exploramos por diferentes razões. Existem vantagens primeiro de um, de um ponto de vista fundamental, da mesma forma que na microeletrônica os transistores funcionam melhor, funcionam melhor porque são menores.

Aqui também temos, construímos dispositivos que acessam escalas que estão na ordem do objeto que está sendo estudado, que são células. A tecnologia de microfabricação pode superar essas limitações, não de uma maneira, mas de várias maneiras pela primeira vez. Ele permite que você sonde células únicas em números muito grandes.

Então, isso lhe dá imediatamente conclusões muito quantitativas. Além disso, permite que você faça experimentos baratos. Além disso, esses sistemas são muito baratos de fabricar, no sentido de que você pode fazer muitos dispositivos pelo preço de um.

Além disso, eles são baratos de operar porque são fáceis, são muito passíveis de automação. Então, essas vantagens de baixo custo de fabricação e baixo custo de operação resultam em implementações comerciais e comerciais muito bem-sucedidas. E, finalmente, também, esses sistemas são muito, esses sistemas são muito passíveis de design quantitativo.

Isso é muito importante porque, dessa forma, podemos modelar o comportamento de, digamos, um dispositivo microfluídico ou a fabricação de uma superfície e saber exatamente como ele vai funcionar. E então voltamos, nós, isso é feito por modelagem. Ainda não vamos ao laboratório.

E então, depois que tudo funciona em teoria, vamos ao laboratório e implementamos e economizamos muito tempo fazendo. Então, uma das principais tecnologias que usamos em nosso laboratório é chamada de litografia suave e são técnicas de família, de técnicas irmãs que foram desenvolvidas por George Whiteside em Harvard desde o início dos anos noventa. E eles são baseados na replicação e moldagem de um material, um elastômero transparente chamado Polymethyl Sloane, ou os biólogos do PDMS o conhecem por sua marca S Guard 180 4 fabricada pela Corning.

E é essencialmente borracha transparente é um, é um dispositivo. Você pode dobrá-lo e, como eu disse, pode ser moldado, pode ser repetidamente a partir de um mesmo molde com o que é caro de fabricar é o molde. E, mas o material, nós o compramos aos montes.

É, você sabe, não é muito caro. Então também é muito biocompatível. É, você pode até semear células nele, nele.

É usado em implantes. E também outra grande vantagem é que é transparente e isso é muito, muito importante para uma microscopia biológica, que, como você sabe, é um método de análise muito importante em estudos biológicos. E o procedimento de moldagem, como você pode ver nos vídeos do laboratório, é muito, é muito fácil, muito direto.

Envolve apenas a mistura de dois componentes. E você sabe, qualquer um pode fazer isso. É como cozinhar e colocar no forno.

Até meu filho, de quatro anos, veio ao laboratório e realmente fez borracha. E então é muito simples. Microfluídica é o estudo do comportamento dos fluidos.

Em pequenos canais, como você sabe, você não pode jogar uma pedra debaixo d'água. Isso porque você, as forças, as forças de atrito entre a pedra e a água são muito grandes em comparação com a força que você transmite a ela. Algo um pouco semelhante acontece em um pequeno ch em um pequeno canal onde o, para o, o, a situação está ao contrário.

A água é o objeto que está se movendo e as paredes ao seu redor estão transmitindo muito atrito a eles por causa da alta relação superfície/volume em microcanais, as paredes têm um efeito muito forte. E assim essas forças inerciais são muito pequenas em comparação com as forças viscosas e o atrito causado pelas paredes. Então, como as forças viscosas dominam, a turbulência nunca ocorre em, em microcanais, então o que temos é um regime de fluxo conhecido como fluxo laminar porque o fluido flui para dentro, em folhas.

E um exemplo é mostrado aqui onde diferentes riachos não são capazes de se misturar porque fluem lado a lado. Eles, não há turbulência que acelere a mistura como acontece quando você dirige uma xícara de café. Agora, como as forças viscosas dominam e é muito difícil ter turbulência no microcanal, isso significa que dois fluxos que se fundem em um canal não se misturam, então só se misturam por difusão muito lentamente.

Agora aproveitamos essa propriedade para expor diferentes partes de uma população de células ou mesmo uma única célula a diferentes fluidos. E a razão pela qual fazemos isso é porque é assim que acontece in vivo. Dentro do organismo, as células são expostas a gradientes de substâncias e muitas vezes de forma muito transitória.

Então, porque sabemos exatamente que podemos modelar até mesmo o comportamento dos fluidos na, a, a difusão das diferentes substâncias no fluxo de fluido, sabemos qual constante, quais contras, a que concentração a célula está exposta e qual parte da célula está exposta a qual concentração. Isso nos permite fazer estudos muito quantitativos sobre a exposição das células a uma determinada substância. Como exemplo de como o fluxo laminar pode ser usado para estudar células, temos um projeto no laboratório, na verdade estamos tentando, onde estamos puxando uma célula muscular para pensar que está sendo inatada por um neurônio.

Então, durante o desenvolvimento, o que acontece é que o nervo em algum momento chega ao músculo e secreta uma substância chamada arin que está envolvida no nascimento da sinapse. E então o que estamos fazendo é algo conceitualmente muito simples. Colocamos células musculares em um dispositivo e as expomos a um fluxo que contém rin apenas na porção central do fluxo.

Isso nos permite fingir que o dispositivo é o nervo e as células musculares que estão no dispositivo são o músculo real durante o desenvolvimento. Outro exemplo em que a microfluídica é muito poderosa é no estudo da orientação do axônio. Aqui, a ideia é usar o fato de que sabemos, podemos prever muito bem como o fluido é difundido em um, em, em pequenos volumes para produzir gradientes de substâncias.

E durante o desenvolvimento, os gradientes são responsáveis, parcialmente responsáveis pela forma como as células nervosas encontram seus alvos. Então, tentamos reproduzir isso dentro de uma placa de Petri. Dentro de um microcanal, o olfato é um sistema de sensores fascinante.

Os neurônios no nariz, digamos que os camundongos expressam apenas um tipo de receptor olfativo cada. Existem cerca de mil genes receptores olfativos diferentes em m em camundongos. E cada receptor se liga a uma variedade de odores e cada odin se liga a vários receptores.

E para que acreditemos que a maneira como detectamos odores é, de forma combinatória, pela pesquisa tradicional de facções, é difícil encontrar correspondências entre um grande número de odores e um determinado receptor ou qualquer odor e um grande número de receptores. E isso porque é muito difícil expor qualquer neurônio ou neurônio sensorial fator a uma variedade de odores e, e vice-versa, dado que qualquer odorante é muito difícil expor todos os neurônios do epitélio olfatório. Portanto, nossa abordagem tem sido pegar o epitélio olfatório e cortá-lo em células dissociadas em células únicas e colocá-las em uma matriz em uma grande micromatriz de micro poços, uma célula por micro.

Bem, e em um campo de visão, normalmente temos dezenas de milhares de neurônios que visualizamos com imagens de cálcio e observamos os padrões de ativação desses neurônios, dessa grande quantidade de neurônios para odores e grupos de ods. E isso nos permite ter certeza de que, para qualquer odor e que escolhermos, estamos olhando para todo o espaço do receptor olfativo. Há, você sabe, pelo menos um ou alguns receptores sendo representados nessa matriz.

E dessa forma sabemos que podemos fazer perguntas como, você sabe, quantas das células que estão cheirando banana também estão cheirando limão, por exemplo. Essas técnicas de microfluidos e micropadrões são bastante diretas e a razão pela qual elas não foram adotadas mais amplamente pela biologia celular, acredito que seja por causa de uma diferença cultural entre engenheiros e biólogos. Os biólogos geralmente são um pouco relutantes, se não alérgicos, a novas tecnologias e os engenheiros geralmente não são muito proficientes em biologia celular ou biologia em geral.

E o que veremos, acredito, no futuro próximo, são biólogos que não precisarão bater na porta de alguém como eu. Eles serão capazes de projetar um dispositivo simples e levar o design para uma fundição como a fundição de alumínio e eles serão enviados de volta ao dispositivo, em um ou dois dias e será muito fácil para eles implementarem o experimento por conta própria.