Micro-escala de Engenharia de Biologia Celular
1 de outubro de 2007
Joel Goldman. Sou professor associado de engenharia elétrica e ciência da computação no MIT. Estou aqui há cinco anos.
E, em geral, trabalhamos com uma combinação de engenharia em microescala aplicada à biologia celular. Nossa pesquisa concentra-se em duas áreas principais. Uma delas é a citometria de células em geral, que envolve o desenvolvimento de plataformas em microescala para separar células.
Muito disso se baseia na capacidade de classificar após a microscopia, ou seja, conseguir imaginar e depois isolar diferentes células ou criar arranjos definidos de células em termos do tipo celular A juntamente com o tipo celular B, expostos ao estímulo C, esse tipo de funcionalidade. E a outra metade do laboratório concentra-se em microtecnologias para a biologia de células-tronco. O foco principal está nas células-tronco embrionárias e, principalmente, na análise da autorrenovação.
E fazemos algumas coisas diferentes. Fazemos culturas em microfluídica, nas quais utilizamos a perfusão de líquido para tentar obter um controle melhor sobre os sinais difusíveis. E fazemos o padronamento de colônias para poder controlar as interações entre colônias.
E então realizamos a padronização de células, e é aí que entra o biochip de inversão, que é uma maneira de transportar essencialmente células individuais e colocá-las em configurações definidas. Estudá-las na placa é uma abordagem fantástica, e temos sido capazes de aprender muito sobre a biologia das células-tronco nos últimos 25 anos realizando experimentos em placa. Portanto, é uma ótima abordagem e, se funcionar, você deveria fazê-la.
Mas há momentos em que o controle adicional em escalas de comprimento celulares é importante. E não é difícil imaginar que, ao considerar quão rigorosamente regulado é o desenvolvimento in vivo, a capacidade de controlar com quais células as outras células interagem, sobre o que as células estão assentadas e em que meio as células estão imersas, de maneira dependente do tempo e em escala celular, será fundamental para o desenvolvimento do tecido. A morfogênese e eventos desse tipo tornam interessante, caso se esteja desenvolvendo uma terapia, compreender a biologia fundamental por trás do que está ocorrendo.
Por isso, muitos dos nossos dispositivos têm como objetivo desvendar essas questões fundamentais, perguntas básicas como: por que as células, por que as células-tronco embrionárias decidem autorrenovar-se? Autorrenovação versus diferenciação. E há também a questão de que, se você está tentando ampliar a produção, então precisa entender quais fatores são importantes nesse processo de ampliação.
E então, por exemplo, no caso do biochip de inversão, estamos começando a levantar questões sobre qual situação, como você deve, de que maneira é necessário propagar as células para maximizar aquilo que lhe interessa, seja a eficiência de plaqueamento indiferenciado, e assim por diante. Assim, questões desse tipo. E depois, em terceiro lugar, relacionado a isso, estão todas as questões sobre por que as células-tronco embrionárias de camundongo são diferentes das células-tronco embrionárias humanas?
Como eles são diferentes? É um artefato cultural? É algo fundamental?
Esse tipo de perguntas. Acho que nos próximos cinco a dez anos você realmente começará a ver novas terapias surgindo a partir de células-tronco embrionárias, o que, creio eu, ainda não foi demonstrado. Mas sabe, alguns dos trabalhos recentes em termos de reprogramação e alguns dos resultados que as pessoas conseguem alcançar são muito, muito impressionantes.
Então, acho que, embora há alguns anos eu dissesse que estava a 20 anos de distância, agora acho que está mais próximo de cinco a 10.
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Visão Geral
Joel Goldman, professor associado do MIT, concentra-se na engenharia em microescala aplicada à biologia celular. Sua pesquisa envolve principalmente citometria de células e o desenvolvimento de plataformas em microescala para separação celular.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Biologia celular
- Engenharia em microescala
- Citometria de células
Antecedentes
- Pesquisa sobre técnicas de separação de células.
- Aplicação de princípios de engenharia em contextos biológicos.
- Desenvolvimento de plataformas inovadoras em microescala.
- Abordagem interdisciplinar que combina engenharia e biologia.
Objetivo do Estudo
- Para aprimorar metodologias de separação celular.
- Para criar plataformas eficientes em microescala para aplicações biológicas.
- Para avançar o entendimento do comportamento celular por meio de soluções de engenharia.
Métodos Utilizados
- Técnicas de engenharia em microescala.
- Metodologias de separação celular.
- Planejamento experimental para aplicações biológicas.
- Integração da engenharia e da pesquisa biológica.
Resultados Principais
- Desenvolvimento de novas plataformas em microescala.
- Técnicas aprimoradas para classificação de células.
- Compreensão do comportamento celular por meio de soluções projetadas.
- Aplicação bem-sucedida da engenharia na biologia celular.
Conclusões
- A engenharia em microescala aprimora significativamente a pesquisa em biologia celular.
- Plataformas inovadoras podem levar a avanços na separação de células.
- Abordagens interdisciplinares são cruciais para o avanço do conhecimento científico.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
A engenharia em microescala permite controle preciso sobre os microambientes celulares, apoiando a redução de riscos mecanicistas na biologia de células-tronco e a validação de alvos para terapias regenerativas. Ao projetar configurações celulares e condições de sinalização definidas, os pesquisadores podem investigar mecanismos fundamentais de autorrenovação e diferenciação, aumentando a confiabilidade preditiva em modelos pré-clínicos. Essa abordagem conecta a biologia de descoberta com relevância translacional, reduzindo a ambiguidade nas decisões do destino celular essenciais para o desenvolvimento terapêutico.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas mediante o controle das interações celulares, da composição do substrato e da exposição a fatores solúveis em escalas fisiologicamente relevantes.
- Valor Operacional: Apoia a validação funcional de alvos por meio de arranjos definidos de cultivos em co-cultura e testes de estímulo-resposta em sistemas de células-tronco.
- Valor Preditivo: Aumenta a confiança na identificação de compostos líderes ao elucidar os mecanismos que regulam as decisões de destino das células-tronco sob condições microambientais controladas.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Prontidão do Ensaio: Plataformas em microescala, como o chip bio flip, facilitam a preparação de arranjos celulares padronizados para triagem reprodutível de compostos ou estímulos.
- Resultados Quantitativos: Permite a medição da eficiência de plaqueamento, formação de colônias e marcadores de diferenciação como variáveis dependentes em fluxos de triagem.
- Escalabilidade e Reutilização: Permite adaptação entre sistemas modelo (por exemplo, células-tronco de camundongo versus humanas) para avaliar respostas específicas de espécies na fase inicial de descoberta.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Continuidade Translacional: Permite o estudo de diferenças específicas da espécie no comportamento das células-tronco, informando o alinhamento de biomarcadores translacionais e a seleção de modelos pré-clínicos.
- Redução Mecanística de Riscos: Permite o controle dependente do tempo dos componentes do nicho para imitar a sinalização do desenvolvimento, reduzindo a incerteza nas previsões de morfogênese tecidual.
- Avanço Ajustado ao Risco: Fornece dados sobre fatores de ampliação relevantes para considerações de fabricação de terapias derivadas de células-tronco.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
A tecnologia integra-se desde as fases iniciais de descoberta até as fases pré-clínicas, permitindo a investigação orientada por hipóteses do comportamento celular, apoiando a padronização de ensaios e orientando decisões translacionais por meio do controle do microambiente.
- Biologia de Descoberta: Facilita a elucidação de vias e a redução de riscos biológicos mediante o isolamento de variáveis nas interações entre células-tronco e seu nicho.
- Triagem: Garante prontidão para ensaios por meio de padronização no posicionamento celular e cultivo com perfusão, assegurando exposição consistente aos estímulos.
- Análises: Gera leituras quantitativas das respostas celulares (por exemplo, autorrenovação versus diferenciação), permitindo análise comparativa entre condições.
- Pesquisa Translacional: Conecta a descoberta científica ao trabalho pré-clínico por meio da modelagem de condições de nicho relevantes ao ser humano e da identificação de mecanismos regulatórios conservados.
- Reutilização Empresarial: Representa uma plataforma modular adaptável a múltiplos tipos celulares e desenhos experimentais em diversos projetos de descoberta.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Reduz a ambiguidade mecanicista na biologia de células-tronco por meio do controle preciso dos microambientes celulares no tempo e no espaço.
- Valor Operacional: Aumenta a reprodutibilidade e padronização em ensaios com células-tronco por meio de restrições geométricas e fluídicas definidas.
- Valor Estratégico: Melhora as decisões de avançar/interromper projetos ao aumentar a confiança na validade do mecanismo-alvo e reduzir o risco de falhas biológicas em estágios avançados.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de candidatos baseados em células-tronco por meio de modelagem preditiva aprimorada dos resultados de diferenciação.
Considerações de Implementação
- Exige experiência em fabricação em microescala, microfluídica e técnicas de cultivo de células-tronco.
- Depende do acesso à infraestrutura de litografia suave, moldagem de PDMS e microscopia de fluorescência.
- Necessita de protocolos de padronização para semeadura celular, controle de perfusão e monitoramento ambiental entre equipes.
- Envolve considerações de adaptação ao transferir plataformas de sistemas de células-tronco de camundongo para humanos, devido a requisitos nicho distintos.
- Limitado por restrições de produtividade ao ampliar a manipulação de células individuais para campanhas de triagem em larga escala.
