Usando Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) para desenvolver ferramentas de diagnóstico

Eu sou U De Mercy, sou o investigador principal do Bio Stick MAMs em laboratórios de medicina. Fiz meu doutorado na Universidade de Stanford em engenharia elétrica. Fiz um pós-doutorado na Harvard Medical School no MGH trabalhando em MAMs bioacústicos ou principalmente MAs bio.

E agora continuo como professor na Harvard Medical School na Harvard MIT Health Sciences and Technology. E continuando com minha pesquisa que gosto muito. O trabalho que fiz durante meu doutorado estava muito relacionado a gotículas e ao uso de acústica para gerar gotículas de tamanho preciso e controlar sua localização e posição para depositar polímeros muito sensíveis.

Agora aplicamos tecnologias semelhantes para encapsular células em gotículas e, em seguida, posicioná-las nas superfícies para várias aplicações em engenharia de tecidos para imprimir células nas superfícies para padronizar células. Além disso, existem aplicações em que você deseja ver que pode encapsular poucas células ou uma única célula ou da mesma população e ver as diferenças entre a mesma população de uma célula para outra, sendo capaz de encapsular células em gotículas em altas taxas de rendimento, como 10.000 células por segundo, torna-se muito importante e muito útil para entender problemas biológicos. Portanto, minha pesquisa atualmente tem duas pernas, eu diria.

Um deles é esse trabalho de encapsulamento de células sobre o qual acabei de falar. Como embalamos uma célula em uma gotícula que é, e como podemos fazer isso repetidamente e de forma confiável e sem prejudicar as células? Portanto, depois que a célula é ejetada ou encapsulada na gotícula, devemos ser capazes de localizar com precisão em uma superfície que a célula deve ser funcional, viva e viável.

Não deve ser prejudicado pelos efeitos da ejeção e assim por diante. Então, atualmente, temos um sistema em que usamos ondas focadas em gotas acústicas para gerar essas gotículas de piscinas abertas, onde podemos encapsular em células únicas nessas gotículas realmente pequenas que são comparáveis ao tamanho da célula. Isso é muito empolgante em termos de aplicação disso à impressão celular e engenharia de tecidos.

O outro lado da minha pesquisa é novamente usar essas tecnologias de sistemas microeletromecânicos MAMs para desenvolver ferramentas de diagnóstico de baixo custo. Principalmente, esta pesquisa usa abordagens microfluídicas onde podemos introduzir sangue total, volumes muito pequenos, como sangue de uma picada no dedo, menos de 10 microlitros que você pode introduzir em um chip. E a partir desse sangue podemos encapsular ou capturar certas populações subcelulares do sangue total.

Por que isso é importante? Por que isso deveria ser barato para aplicações de saúde global No topo da montanha na África, você quer ser capaz de dizer para um paciente com HIV, por exemplo, quantos linfócitos T CD quatro esse paciente tem. Como a Organização Mundial da Saúde diz que abaixo de 200 CD quatro células por microlitro, você precisa começar a tratar os pacientes No mundo desenvolvido, você usa centenas de milhares de dólares em citômetros de fluxo vertical para poder obter esses dados.

E é claro que leva tempo para usar e habilidade, é claro, para poder usá-los como máquinas enormes do tamanho de uma mesa. Nosso pequeno chip pode ser introduzido neste pequeno tijolo de dedo de 10 microlitros de sangue total e ele capturará as quatro células do CD usando as afinidades de proteína de superfície. E então você pode contar rapidamente essas células que são capturadas porque você sabe que existem células CD quatro que estão ligadas a anticorpos de proteínas CD quatro na superfície do chip.

Ao controlar as taxas de fluxo e cisalhamento, você pode garantir que a especificidade e a eficiência desses tipos de células sejam otimizadas. E, claro, sempre há uma ligação não específica, mas por nossas abordagens puras, minimizamos esses efeitos e garantimos que entre mais menos 10% de erros, o que é suficiente para tomar uma decisão diagnóstica ou prognóstica no topo da montanha na África. Portanto, isso tem aplicações interessantes para a saúde global, bem como essas técnicas de baixo custo que são descartáveis podem impactar o mundo desenvolvido, porque agora esses exames de sangue rápidos, que são realmente de baixo custo, podem impactar os testes que usamos no mundo desenvolvido.

Se eles forem otimizados para níveis mais altos de eficiência e especificidade, o que nossos dados iniciais mostram que podem ser, isso definitivamente afetará nossas vidas. Quando terminei meu doutorado, sabia mais sobre microfluídica e que em MAMs mais do que qualquer outra coisa que eu pudesse ver, especialmente com a aplicação de gotículas, pude ver que se eu pudesse imprimir células e encapsular células ou manipular as poucas células, células únicas, isso teria grandes aplicações na área de biotecnologia. E eu estava muito interessado em trabalhar em coisas que realmente impactariam a vida das pessoas.

Eu costumava aplicar essas tecnologias à indústria de semicondutores, mas depois queria ser útil diretamente para as pessoas. Então eu, foi isso que me direcionou para problemas na área da saúde. E então é por isso que fiz uma grande mudança e vim para um hospital, hospital geral de massa para o pós-doutorado.

E lá, você sabe, eu fui exposto cada vez mais a problemas e parece, e está tudo claro que um dos maiores problemas do mundo hoje é a saúde global e vem doenças como tuberculose, HIV que mata milhares de pessoas por dia. E essas pessoas morrem não porque os medicamentos não estão lá, mas porque não há ferramentas de diagnóstico suficientes, que são muito mais caras do que os medicamentos existentes. Então, eu conheço muito bem o lado tecnológico das coisas.

Eu recebo, fui exposto aos problemas biológicos e quanto mais aprendia sobre eles, mais podia ver que poderia causar impacto. E foi assim que tudo cresceu a partir daí. E ainda está continuando agora.

Como eu vi na biotecnologia e na medicina, existem tantos problemas que realmente causam diretamente nosso resultado na perda de vidas de pessoas e tecnologias, o aspecto tecnológico disso e ser capaz de aplicá-lo a problemas médicos do mundo real é um ótimo, acho que o caminho a seguir. É assim que toda essa área de biotecnologia, eu acho, está crescendo e está se tornando muito impactante. Se você pensar sobre isso, o câncer de HIV, esses são os grandes assassinos no mundo.

E as microtecnologias atuais, as abordagens atuais talvez possam se beneficiar da detecção precoce do câncer, capturando essas células do sangue ou tornando-as realmente baratas, o que as tornará disponíveis para as massas. Então, todas essas coisas juntas, acho que todas essas aplicações de microtecnologia na área da saúde na medicina podem impactar o futuro dos seres humanos. Então é assim que todas essas coisas se juntam, eu acho.

E estar em Harvard, no MIT, ciências da saúde e tecnologia, onde de um lado você tem a tecnologia e, do outro, você tem o aspecto direto, o acesso direto aos pacientes, o acesso direto aos médicos no Brigham and Women's Hospital, onde trabalho, é um ótimo ambiente. Porque cada pessoa com quem você fala tem seus problemas e você pode talvez vir de uma formação diferente, fornecer soluções interessantes para os problemas existentes no mundo real. Então é isso, eu acho que vejo toda a perspectiva de como esses problemas médicos atendem ao lado da tecnologia.

E tentamos impactar a vida das pessoas de forma positiva. No encapsulamento de tampa de célula única ou no encapsulamento de célula, o principal desafio é ser capaz de encapsular células únicas de forma confiável e repetitiva. Então você está ejetando 10.000 centenas de mil células por segundo.

E como você se certifica de que cada gotícula que você ejeta tem uma única célula? Essas estatísticas em que você está alterando o tamanho da gota e minimizando, otimizando o tamanho da célula sobre o tamanho da gota, o que entra no velho problema de empacotar esferas em um volume e qual é a maneira mais eficiente de fazer isso. Então esse é o maior desafio na área de impressão de células do lado tecnológico.

O outro aspecto disso é que agora você pode dizer imprimir e localizar com precisão essas células. Como você pode gerar esses tecidos tridimensionais e como você pode mantê-los vivos e como você pode transplantá-los? Chega o lado biológico dos problemas em que você deseja agora imitar exatamente o tecido.

Temos abordagens atuais para poder imprimir um ilhó, um ilhó do pâncreas e imprimir usando células musculares lisas, um tecido da bexiga, imitando diretamente o que está na bexiga humana ou vermelha para que possamos fazer esse tecido e testar o quão bem ele funciona em comparação com os tecidos nativos existentes no mundo real. Então esse é o maior desafio, eu acho, pegando essas novas tecnologias, como você pode tornar esse tecido ideal que pode ser substituído, que pode ser transplantado, esse é o maior problema desde o início, porque o controle em uma única célula dá a você a capacidade de localizá-los com precisão. E então como você meio que cresce a partir daí?

Portanto, é algo transplantável lá onde vem o impacto da vida humana. Então, nesse sentido, quais são os desafios no lado da engenharia de tecidos no encapsulamento do sul e no diagnóstico usando microfluídica, o desafio é ser capaz de capturar uma célula de bilhões de células. É como se você tivesse uma partícula de açúcar em uma lata de sal e estivesse tentando retirar essa partícula de açúcar e isso é como uma em um bilhão.

Então você, você está processando microlitros a mililitros de sangue total e deseja ser capaz de forma específica e eficiente, sem problemas tecnológicos, como entupimento ou problemas biológicos, como ligação não específica, você deseja isolar uma célula em um bilhão de células em um microlitro de sangue total, você tem alguns milhões de células. E para o caso de linfócitos T CD quatro naquele microlitro, estamos atrás de cerca de mil células por microlitro. Portanto, é como uma célula em mil tipos de problemas em que mostramos que é factível.

Mas quando você quer ir atrás de células tumorais circulantes para câncer, o desafio se torna um em um bilhão. Então, para resumir, o desafio é como capturamos essa célula entre bilhões de outras células ao seu redor? E quais são os aspectos tecnológicos?

Quais são as taxas de fluxo? Qual é o design do dispositivo? O que, quais são as taxas de fluxo?

Quais são os volumes de sangue que precisam ser processados e como você se certifica de que as células capturadas são as que você realmente deseja capturar? Todos esses aspectos formaram todo o desafio que pode ser resumido em uma frase, que é como você captura essa célula rara entre bilhões de outras? Portanto, é realmente um problema do tipo agulha no palheiro, o que é emocionante.

E acho que isso está avançando nas tecnologias para resolver esses problemas é o desafio tecnológico atual. Ser capaz de levá-los a um nível em que eles façam o trabalho que deveriam fazer é uma coisa. E então levá-lo para a clínica e torná-lo um produto tem todos os conhecimentos diferentes, como ser capaz de iniciar uma empresa, ser capaz de patentear essas coisas e todos esses outros aspectos entram em cena.

E acho que nós, como cientistas, não temos todas essas habilidades que levam os produtos do desktop aos produtos. Então, vem de novo, a importância das colaborações com pessoas que têm origens diferentes. E existem muitas tecnologias por aí que eu acho que podem ser muito impactantes e úteis.

Às vezes, eles não chegam à clínica ou ao uso da humanidade porque simplesmente não aconteceu, não foi o momento certo ou outros efeitos entraram em cena sobre os quais acabei de falar. Ou, às vezes, não há um link direto que você não possa ver que a tecnologia poderia realmente resolver esse problema. E a pessoa que lida com o problema, ou digamos que os biólogos ou pessoas da medicina estão acostumados a fazer isso de uma maneira por muitos anos.

E as pessoas do lado da tecnologia, principalmente se você não está tendo um foco em biotecnologia, não estão cientes dos problemas da medicina. Portanto, reunir esses dois lados é uma pesquisa interdisciplinar séria. E acho que nos últimos anos, toda a ênfase tanto no nível do NIH quanto que vemos em laboratórios de pesquisa e universidades é gerar pesquisas interdisciplinares.

Então as pessoas acabam obtendo PhDs onde precisam conhecer vários campos. Por exemplo, para o meu doutorado, eu tinha que saber acústica, eu tinha que saber mems, eu tinha que saber microfluídica e eu tinha que aplicar isso para polímeros. Então agora você vê um conhecimento muito profundo em um campo em que você tinha que conhecer, na verdade, três outros campos muito bem para poder resolver esse problema.

Então, acho que a resposta está na pesquisa interdisciplinar combinada com pessoas com habilidades de negócios para disponibilizá-la para uso das pessoas, é todo um grande processo e algumas ineficiências que surgem em determinados locais. Porque essa baixa porcentagem de transferência de tecnologia.