Name: BioMEMS e Biologia Celular: Perspectivas e Aplicações (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-10-01T00:00:00.000+00:00
Duration: 16 min 30 s
Description: Explore microfluidic devices para biologia celular e neurociência usando BioMEMS. Esta abordagem supera limitações de cultura tradicional, simulando ambientes heterogêneos mais realistas in vivo.

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biomems e biologia celular: perspectivas e aplicações

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

A capacidade de células de cultura tem revolucionado o teste de hipóteses na célula básica e investigação em biologia molecular. Tornou-se uma metodologia padrão no rastreamento de drogas, toxicologia e ensaios clínicos, e é cada vez mais utilizado na medicina regenerativa. No entanto, a metodologia de cultura tradicional de célula essencialmente consiste na imersão de uma grande população de células em um meio líquido homogêneo e em um substrato homogêneo plano tornou-se cada vez mais limitando tanto a partir de uma perspectiva fundamental e prático. Tecnologias de microfabricação tem possibilitado aos pesquisadores design, com o controle micrométrico, a composição bioquímica ea topologia do substrato e da composição do meio, bem como o tipo de célula vizinha no microambiente em torno celular. Além disso, microtecnologia é conceitualmente bem adequada para o desenvolvimento de rápido, de baixo custo em sistemas in vitro que permitem a cultura de alto rendimento e análise de células em um grande número de condições. Nesta entrevista, explica Albert Folch essas limitações, como eles podem ser superados com a litografia macia e microfluídica, e descreve alguns exemplos relevantes de pesquisa em seu laboratório e direções futuras.

BioMEMS e Biologia Celular: Perspectivas e Aplicações

A capacidade de cultivar células revolucionou o teste de hipóteses na pesquisa básica de biologia celular e molecular. Tornou-se uma metodologia padrão em ...

Sou Albert Falk. Sou professor na Universidade de Washington em Seattle e trabalho na área ampla de biomas, que significa sistemas microeletromecânicos biomédicos. Trabalhamos com microfluídica e focamos em aplicações na biologia celular, principalmente em neurociência.Um dos focos do laboratório é tentar superar as limitações da tecnologia tradicional de cultivo celular. Se observarmos a maneira como os biólogos celulares estudam as células in vitro, em uma placa de Petri, notaremos imediatamente que as células estão imersas em um meio de cultura celular homogêneo e também assentam-se sobre uma superfície homogênea. No entanto, no organismo, as células não estão sobre uma superfície homogênea.Eles não estão imersos em um meio homogêneo. Na verdade, estão expostos a uma variedade de sinais que mudam no espaço e no tempo, muitas vezes na forma de gradientes, e são rodeados por uma matriz do tipo gel. Existem também algumas limitações práticas ao estudar células em uma placa de Petri: é necessário um incubador, que é um equipamento grande e caro.Normalmente, os biólogos desejam estudar um conjunto de condições diferentes. Eles querem analisar células em, digamos, um cultivo celular A e um cultivo celular B. Há muita variabilidade na forma como as células respondem a esses compostos. Assim, normalmente os biólogos colocam as células em diferentes placas de Petri, talvez em triplicata, e então analisam uma variedade de condições, o que resulta no uso de grande quantidade de cultivo celular, meio de cultura, muitos insumos, muitas placas, além de exigir muito espaço.Então, estamos tentando miniaturizar isso, e essa é uma das vertentes. Além disso, trocar o meio e colocar as células, bem como trocar o meio de cultura celular, exige muita pipetagem. Isso é muito caro em termos da quantidade de tempo e pessoal envolvidos, além da 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, é necessário usar um grande número de células, o que frequentemente exige sacrificar muitos animais. Além disso, pode ser, pode ser caro apenas devido aos números elevados. Assim, o resultado final é que as técnicas tradicionais acabam custando muito dinheiro.Eles são muito caros, tanto em termos de tempo quanto de pessoal necessário para utilizá-los na realização de qualquer experimento, além de que os rendimentos na prática fazem com que os biólogos acabem comprometendo o número de superfícies ou condições que estão sendo estudadas. Assim, lidam com dados estatisticamente muito fracos. As conclusões em um estudo biológico típico são muito qualitativas pelos padrões da engenharia, de modo que, no fim das contas, todos esses estudos não são escaláveis.Portanto, e isso está se tornando um grande problema atualmente com a era da área genômica, na qual as pessoas desejam estudar um grande número de condições, muitas variáveis, e descobrir novas variáveis, novos fenômenos celulares que só podem ser revelados mediante o estudo de um grande número de células e condições. Assim, as técnicas de microfabricação nos proporcionam diversas vantagens que exploramos por diferentes razões. Existem vantagens primeiramente do ponto de vista fundamental, da mesma forma que na microeletrônica os transistores funcionam melhor porque são menores.Aqui também temos, construímos dispositivos que acessam escalas da ordem do objeto em estudo, que são as células. A tecnologia de microfabricação pode superar essas limitações, não de uma única maneira, mas de muitas formas ao mesmo tempo. Ela permite investigar células individuais em números muito grandes.Isso fornece imediatamente conclusões muito quantitativas. Além disso, permite realizar experimentos de baixo custo. Esses sistemas também são muito baratos para fabricar, no sentido de que é possível produzir muitos dispositivos pelo preço de um único.Além disso, eles são baratos para operar porque são simples e muito passíveis de automação. Então, essas vantagens de baixo custo de fabricação e baixo custo de operação resultam em implementações comerciais bem-sucedidas. E, finalmente, esses sistemas também são muito passíveis de projeto quantitativo.Isso é muito importante porque, dessa forma, podemos modelar o comportamento, por exemplo, de um dispositivo microfluídico ou da fabricação de uma superfície e saber exatamente como ele funcionará. Em seguida, voltamos atrás, isso é feito por meio da modelagem. Ainda não vamos ao laboratório.E então, depois que tudo funciona na teoria, vamos para o laboratório implementar e economizamos muito tempo nesse processo. Uma das principais tecnologias que utilizamos em nosso laboratório é chamada litografia macia, um conjunto de técnicas irmãs desenvolvidas por George Whiteside em Harvard desde o início dos anos noventa. Essas técnicas baseiam-se na replicação e moldagem de um material, um elastômero transparente denominado polidimetilsiloxano, ou PDMS, conhecido pelos biólogos pelo nome comercial Sylgard 184, fabricado pela Dow Corning.E essencialmente a borracha transparente é um dispositivo. Você pode dobrá-lo e, como eu disse, pode ser moldado, pode ser produzido repetidamente a partir do mesmo molde; o que é caro de fabricar é o molde. E, mas o material, nós o compramos por baldes.É, é, você sabe, não é muito caro. Além disso, é altamente biocompatível. Você pode, inclusive, semear células sobre ele, sobre ele.É utilizado em implantes. E outra grande vantagem é que é transparente, o que é muito, muito importante para a 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 simples e direto.Envolve apenas misturar dois componentes. E sabe, qualquer pessoa pode fazer isso. É como cozinhar e colocar no forno.Até mesmo o meu filho, que tem quatro anos, veio ao laboratório e na verdade produziu borracha. Então, é realmente simples. Microfluídica é o estudo do comportamento de fluidos.Em canais pequenos, como você sabe, não é possível arremessar uma pedra debaixo d'água. Isso acontece porque as forças de atrito entre a pedra e a água são muito grandes em comparação com a força que você aplica sobre ela. Algo um pouco semelhante ocorre em um canal pequeno, onde a situação é invertida.A água é o objeto em movimento e as paredes ao seu redor exercem uma grande fricção sobre ela devido à alta razão superfície-volume em microcanais, onde as paredes têm um efeito muito forte. Assim, essas forças inerciais são muito pequenas em comparação com as forças viscosas e o atrito causado pelas paredes. Como as forças viscosas predominam, a turbulência nunca ocorre em microcanais; o que temos, portanto, é um regime de fluxo conhecido como fluxo laminar, porque o fluido flui em camadas.E um exemplo é mostrado aqui em que diferentes fluxos não conseguem se misturar porque estão fluindo lado a lado. Não há turbulência que acelere a mistura, como ocorre quando você mexe uma xícara de café. Agora, como as forças viscosas dominam e é muito difícil haver turbulência no microcanal, isso significa que dois fluxos que se unem em um único canal não irão se misturar, misturando-se apenas muito lentamente por difusão.Agora aproveitamos essa propriedade para expor diferentes partes de uma população celular ou até mesmo uma única célula a diferentes fluidos. E a razão pela qual fazemos isso é porque é assim que ocorre in vivo. Dentro do organismo, as células são expostas a gradientes de substâncias e, muitas vezes, de forma muito transitória.Assim, como sabemos exatamente como modelar até o comportamento dos fluidos, a difusão das diferentes substâncias no fluxo do fluido, conhecemos qual constante, qual cons, qual concentração a célula está exposta e qual porção da célula está exposta a cada concentração. Isso nos permite realizar estudos muito quantitativos sobre a exposição de células a uma substância específica. Como exemplo de como o fluxo laminar pode ser usado para estudar células, temos um projeto no laboratório, no qual estamos tentando fazer com que uma célula muscular acredite que está sendo ativada por um neurônio.Assim, durante o desenvolvimento, o que acontece é que o nervo, em determinado momento, alcança o músculo e secreta uma substância chamada arin, que está envolvida no nascimento da sinapse. E então, o que estamos fazendo é algo, na verdade, 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 que as células musculares estão no dispositivo como se fossem o músculo real durante o desenvolvimento. Outro exemplo em que a microfluídica é muito poderosa é no estudo do direcionamento de axônios. Nesse caso, a ideia é utilizar o fato de que sabemos prever com grande precisão como um fluido se difunde em pequenos volumes, a fim de produzir gradientes de substâncias.E durante o desenvolvimento, os gradientes são responsáveis, em parte, pela forma como as células nervosas encontram seus alvos. Então estamos tentando reproduzir isso dentro de uma placa de Petri. Dentro de um microcanal, o sentido do olfato é um sistema sensorial fascinante.Neurônios no nariz, digamos de camundongos, têm cada um a expressão de apenas um tipo de receptor olfativo. Existem cerca de mil genes diferentes de receptores olfativos em camundongos. E cada receptor se liga a uma variedade de odorantes, enquanto cada odorante se liga a vários receptores.E acreditamos que a forma como detectamos odores é, de maneira combinatória, por meio da pesquisa tradicional de frações, sendo difícil encontrar correspondências entre um grande número de odorantes e um determinado receptor, ou entre qualquer odorante e um grande número de receptores. Isso ocorre porque é muito difícil expor qualquer neurônio ou neurônio sensorial específico a uma variedade de odorantes, e vice-versa, sendo igualmente difícil expor todos os neurônios do epitélio olfatório a um determinado odorante. Assim, nossa abordagem tem sido retirar o epitélio olfatório, dissociá-lo em células isoladas e colocá-las em um arranjo, em uma grande microplaca de micropoços, com uma célula por micropoço.Bem, e em um campo de visão normalmente temos dezenas de milhares de neurônios que imageamos com a técnica de imagem de cálcio, e analisamos os padrões de ativação desses neurônios, dessa grande quantidade de neurônios, frente a odorantes e grupos de odores. E isso nos permite ter certeza de que, para qualquer odor específico que escolhermos, estamos analisando todo o espaço de receptores olfativos. Há, você sabe, pelo menos um ou alguns poucos receptores representados nessa matriz.E dessa forma sabemos que podemos fazer perguntas como, por exemplo, quantas das células que estão sentindo cheiro de banana também estão sentindo cheiro de limão. Essas técnicas de microfluídica e microestruturação são, na verdade, bastante simples, e a razão pela qual não têm sido adotadas mais amplamente pela biologia celular, acredito eu, é devido a uma diferença cultural entre engenheiros e biólogos. Os biólogos geralmente são um pouco relutantes, senão alérgicos, a novas tecnologias, e os engenheiros normalmente não são muito proficientes em biologia celular ou em biologia em geral.E o que veremos, acredito eu, em um futuro próximo são biólogos que não precisarão mais bater à porta de alguém como eu. Eles poderão projetar um dispositivo simples e levar o projeto a uma fundição como a alu foundry, e receberão o dispositivo por FedEx em um ou dois dias, sendo muito fácil para eles implementar o experimento por conta própria.

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