BioMEMS: Forjar novas colaborações entre biólogos e engenheiros
1 de novembro de 2007
Meu nome é Newly John e estou no Departamento de Engenharia Biomédica da Universidade da Califórnia em Irvine. Minha pesquisa envolve o desenvolvimento de dispositivos biomédicos e dispositivos microfluídicos inovadores para neurociência e pesquisa com células-tronco. A bio e a microfluídica são disciplinas relativamente novas que se desenvolveram nos últimos cinco a dez anos, e utilizam muitas das técnicas e especializações desenvolvidas para a indústria de circuitos integrados.
Então, o que estamos fazendo é utilizar métodos e abordagens de miniaturização desenvolvidos para circuitos integrados para fabricar dispositivos pequenos com canais e reservatórios miniaturizados, e usar isso em aplicações de biologia celular. Tradicionalmente, a maioria dos experimentos biológicos tem sido realizada em escala de placa de Petri. Assim, para as células, ao observar uma célula, que tem cerca de 10 mícrons de diâmetro, basicamente temos uma célula pequena imersa em um grande volume de líquido.
Utilizando dispositivos microfluídicos, podemos controlar os ambientes ao redor da célula. A comunicação entre células, bem como a influência de fatores solúveis sobre a célula, pode ser muito mais precisamente controlada do que simplesmente realizar o experimento em maior escala em uma placa de Petri. Assim, esses novos avanços na microfluídica trazem grandes promessas em termos de controle e reprodutibilidade em comparação com os métodos convencionais.
Nossa pesquisa sobre o uso de dispositivos microfluídicos para estudos de migração celular envolve o desenvolvimento de novos dispositivos capazes de manter um gradiente estável de fatores solúveis sobre as células, permitindo-nos investigar como as células respondem a diferentes fatores de crescimento ou quimiocinas. Isso exige um controle preciso do fluxo de fluido sobre um grupo de células, o que é muito importante e fundamental na maioria dos processos biológicos, como a morfogênese, a metástase do câncer e a resposta das células imunes. Semelhantes aos dispositivos microfluídicos para geração de gradientes, os dispositivos para o cultivo de neurônios, especialmente neurônios com, representam um novo avanço na microfluídica.
Com esses dispositivos, somos capazes de isolar e purificar frações axonais e também obter estruturas altamente polarizadas. Nesse caso, em comparação com ensaios convencionais, como os de compartimento vazio e câmaras, onde era muito, às vezes difícil impedir vazamentos e outras dificuldades experimentais. Os dispositivos microfluídicos oferecem resultados globalmente mais reprodutíveis e, ao mesmo tempo, fornecem uma plataforma opticamente compatível na qual podemos realizar microscopia de alta resolução.
E este dispositivo está sendo utilizado para realizar experimentos com o objetivo de observar como ocorre o transporte axonal. Assim, utilizando este novo dispositivo de cultivo neuronal microfluídico, muitos dos nossos colaboradores em todo o país estão investigando diferentes modelos de doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer, a doença de Parkinson e a ELA. Tive a grande sorte de contar com colaboradores excelentes nos departamentos de neurociência e de patologia aqui na UC Irvine. Colaboro estreitamente com o laboratório de Car Kaman Stewart, Ed Monki e Lisa Flanagan.
Nossas colaborações envolvem reuniões regulares e a tentativa de identificar quais são os problemas enfrentados pelos biólogos. E, nessas reuniões periódicas, percebemos que, embora existam ferramentas convencionais disponíveis, ainda há muitas áreas de aplicação nas quais nós, engenheiros biomédicos, podemos desempenhar um papel significativo na melhoria e compreensão dessa pesquisa biomédica. Por exemplo, nossa colaboração com o laboratório da Dra. Monki e do Dr. Flanagan nos últimos cinco anos tem sido muito produtiva.
Primeiramente, nossos alunos podem aprender como trabalhar em estreita colaboração com grupos e diferentes disciplinas científicas. Ao mesmo tempo, tivemos a sorte de abordar problemas na biologia de células-tronco. Por exemplo, o cultivo e a diferenciação de células-tronco em dispositivos microfluídicos ofereceram uma nova perspectiva sobre como as células-tronco se comportam em um gradiente de um morfógeno como a BMP.
E acho que esse tipo de colaboração será uma parte importante da ciência futura, à medida que um número cada vez maior de engenheiros se interessar pela pesquisa biomédica. E, ao mesmo tempo em que crescem as necessidades por novas ferramentas com novas capacidades nas áreas de neurociência e outras áreas das biosciências, espero que haja muitas colaborações frutíferas que realmente impulsionem o campo da pesquisa biomédica. Além disso, acho que a área de microfluídica e microbiomas está em uma fase empolgante.
Existem muitas novas aplicações sendo desenvolvidas praticamente todos os dias. Espero que, em cinco anos, haja muito mais biólogos utilizando esse tipo de dispositivo para pesquisas diárias, experimentos de rotina, migração celular ou outras finalidades específicas. Como esses dispositivos oferecem diversas vantagens em relação aos métodos convencionais baseados em cultura em placas de Petri, acredito que a imaginação seja o limite para o desenvolvimento de novos tipos de aplicações.
E eu acredito que a estreita colaboração com os biólogos resultará em novos tipos de dispositivos, que desempenharão um papel significativo no avanço futuro da pesquisa biomédica.
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Visão Geral
John, da Universidade da Califórnia em Irvine, discute sua pesquisa no desenvolvimento de dispositivos biomédicos e microfluídicos inovadores para neurociência e pesquisa com células-tronco. Esse campo emergente utiliza técnicas da indústria de circuitos integrados para criar dispositivos miniaturizados para aplicações em biologia celular.
Componentes Principais do Estudo
Área de Ciência
- Engenharia Biomédica
- Neurociência
- Microssistemas
Antecedentes
- A microfluídica é uma disciplina jovem que evoluiu ao longo da última década.
- Ela utiliza métodos da indústria de circuitos integrados.
- Experimentos biológicos tradicionais normalmente utilizam escalas maiores, como placas de Petri.
- As células frequentemente são imersas em grandes volumes de líquido, o que pode limitar a precisão experimental.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver pequenos dispositivos com canais e reservatórios para aplicações em biologia celular.
- Aprimorar a precisão de experimentos envolvendo células pequenas.
- Explorar o potencial da miniaturização na pesquisa biomédica.
Métodos Utilizados
- Desenvolvimento de novos dispositivos biomédicos.
- Aplicação de técnicas microfluídicas.
- Utilização de métodos de miniaturização provenientes de circuitos integrados.
- Projeto experimental focado em aplicações biológicas em pequena escala.
Resultados Principais
- Criação de dispositivos que podem manipular pequenos volumes de líquido.
- Capacidade aprimorada de realizar experimentos em escala microscópica.
- Potencial para melhores resultados em pesquisas de neurociência e células-tronco.
- Demonstração das vantagens de configurações experimentais miniaturizadas.
Conclusões
- Dispositivos microfluídicos representam um avanço significativo na pesquisa biológica.
- A miniaturização pode levar a experimentos mais precisos e controlados.
- O desenvolvimento adicional nesta área poderia transformar aplicações em neurociência e células-tronco.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Dispositivos microfluídicos permitem controle preciso dos microambientes celulares, abordando um desafio fundamental na neurociência e na pesquisa com células-tronco, onde modelos convencionais em placas de Petri apresentam resolução espacial e temporal insuficiente. Essa tecnologia possibilita a redução de riscos mecanicistas ao permitir o isolamento fluídico de compartimentos axonais e somáticos, facilitando estudos com agressões direcionadas e a coleta de frações puras para análises posteriores. A plataforma aumenta a confiança preditiva na validação de alvos e no desenvolvimento de ensaios ao melhorar a reprodutibilidade e permitir imagens de células vivas com alta resolução.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite a investigação de hipóteses terapêuticas mediante o isolamento fluídico de compartimentos neuronais para estudar respostas específicas a agressões solúveis em cada compartimento.
- Valor Operacional: Apoia a validação funcional de alvos ao manter estruturas neuronais polarizadas por até 2-3 semanas, permitindo a avaliação longitudinal do transporte axonal e da degeneração.
- Valor Preditivo: Aumenta a confiabilidade dos estudos de interação com alvos ao reduzir a variabilidade experimental por meio do controle preciso do microambiente e de gradientes fluídicos reprodutíveis.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaios
- Valor Científico: Fornece uma plataforma padronizada para preparar sistemas biológicos validados com separação fluidica, permitindo triagem confiável de compostos em compartimentos axonais ou somáticos distintos.
- Valor Operacional: Melhora a reprodutibilidade e escalabilidade do ensaio por meio de peças poliméricas moldadas com precisão e compatibilidade com microscopia DIC, contraste de fase, confocal e de dois fótons.
- Utilidade da Plataforma: Permite análises bioquímicas posteriores, como PCR em frações axonais puras, aumentando a prontidão para triagem na identificação de alvos e vias.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Relevância Translacional: Modela lesão do SNC e neurodegeneração mediante a administração localizada de substâncias tóxicas ou agregados em compartimentos axonais por até 20 horas após a troca do meio.
- Continuidade Pré-clínica: Conecta a descoberta à validação pré-clínica ao permitir culturas longitudinais e imunocitoquímica de ponto final fixo para avaliar desfechos estruturais e funcionais.
- Avanço com Ajuste de Risco: Orienta decisões de prosseguir/não prosseguir ao fornecer leituras quantitativas e específicas de compartimento que reduzem ambiguidades mecanicistas nas vias-alvo.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
A plataforma de cultivo neuronal microfluídica integra-se ao continuum de descoberta, desde a testagem de hipóteses até a identificação de compostos promissores e a validação pré-clínica, apoiando ciclos iterativos de design e testagem no desenvolvimento de neuroterapias.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses ao permitir o controle preciso de gradientes de fatores solúveis no espaço e no tempo, para estudar quimiotaxia, morfogênese e respostas de células imunes em um formato redutivo.
- Triagem: Oferece prontidão para ensaios por meio de compartimentos compatíveis com análise óptica e isolados fluidicamente, que permitem avaliação paralela de compostos sem contaminação cruzada.
- Análises: Gera medições quantitativas de variáveis dependentes, tais como intensidade de fluorescência axonal, velocidade de transporte e perfis moleculares baseados em PCR a partir de frações purificadas.
- Pesquisa Translacional: Integra-se a fluxos de trabalho pré-clínicos ao modelar mecanismos de patologia do SNC, como degeneração axonal e déficits de transporte, relevantes para as doenças de Alzheimer e Parkinson.
- Reutilização Corporativa: Funciona como uma plataforma reutilizável em diversos projetos devido à sua adaptabilidade a diferentes tipos neuronais, derivados de células-tronco e ensaios de fatores solúveis.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva na validação de alvos ao reduzir o ruído biológico e permitir a desvinculação mecanicista por meio de perturbações específicas por compartimento.
- Valor Operacional: Oferece padronização e reprodutibilidade por meio de moldagem de precisão e controle de fluidos, minimizando a variabilidade entre poços e entre experimentos.
- Valor Estratégico: Melhora a eficiência do capital ao reduzir falsos positivos na triagem inicial e diminuir a eliminação em estágios avançados devido à maior fidelidade biológica.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco de candidatos a neuroterapias por meio de perfis de eficácia e toxicidade resolvidos por compartimento.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em design de microfluídica, cultura de neurônios e microscopia de células vivas para otimizar a fabricação do dispositivo e a configuração experimental.
- Depende do acesso a ferramentas de fabricação microfluídicas, sistemas de controle de pressão para isolamento hidrostático e plataformas de microscopia compatíveis.
- Necessita padronização entre equipes distintas, como as de engenharia e biologia, para garantir operação consistente do dispositivo e interpretação confiável dos dados.
- Envolve considerações de adaptação ao estender a aplicação além de neurônios do sistema nervoso central para outros tipos celulares, como células-tronco ou células imunes, devido a propriedades distintas de adesão e migração.
- É limitado pela necessidade de técnica asséptica e protocolos de troca de meio para manter o isolamento fluídico durante períodos prolongados de cultura (2-3 semanas).
