Использование Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) для разработки средств диагностики

Меня зовут У Де Мерси, я являюсь главным исследователем био-стиковых МАМ в медицинских лабораториях. Я защитил докторскую диссертацию в Стэнфордском университете по специальности «Электротехника». Я получил постдокторскую степень в Гарвардской медицинской школе в MGH, работая над биоакустическими MAM или в основном био-MA.

И сейчас я продолжаю преподавать в Гарвардской медицинской школе в Гарвардском массачусетском технологическом институте. И продолжаю свои исследования, которые мне очень нравятся. Работа, которую я выполнял во время работы над докторской диссертацией, была в значительной степени связана с каплями и использованием акустики для создания капель точного размера и контроля их местоположения и положения для осаждения очень чувствительных полимеров.

Теперь мы применяем аналогичные технологии для инкапсуляции клеток в капли, а затем размещаем их на поверхностях для различных применений в тканевой инженерии, печатая клетки на поверхностях и моделируя клетки. Кроме того, есть приложения, где вы хотите увидеть, что вы можете инкапсулировать несколько клеток или одну клетку, или из одной и той же популяции, и чтобы увидеть различия между одной и той же популяцией от одной клетки к другой, возможность инкапсулировать клетки в капли с высокой пропускной способностью, например, 10 000 клеток в секунду, становится очень важным и очень полезным для понимания биологических проблем. Так что мои исследования в настоящее время имеют две основы, я бы сказал.

Одна из них — это работа по инкапсуляции клеток, о которой я только что говорил. Как мы упаковываем клетку в каплю, и как мы можем делать это многократно, надежно и без вреда для клеток? Таким образом, после того, как клетка будет выброшена или инкапсулирована в каплю, мы сможем точно определить местоположение на поверхности, которая должна быть функциональной, живой и жизнеспособной.

Он не должен страдать от последствий выброса и так далее. В настоящее время у нас есть система, в которой мы используем акустические волны, сфокусированные на каплях, для генерации этих капель из открытых бассейнов, где мы можем инкапсулировать вплоть до отдельных клеток в эти действительно маленькие капли, сравнимые с размером ячейки. Это очень интересно с точки зрения применения этого в клеточной печати и тканевой инженерии.

Другая сторона моих исследований заключается в использовании этих технологий микроэлектромеханических систем MAM для разработки недорогих диагностических инструментов. В основном в этом исследовании используются микрофлюидные подходы, когда мы можем вводить цельную кровь, очень небольшие объемы, такие как кровь из укола пальца, менее 10 микролитров, которые вы можете ввести в чип. И из этой крови мы можем инкапсулировать, или вы можете захватить определенные субклеточные популяции из цельной крови.

Почему это важно? Почему это должно быть дешево для глобального здравоохранения На вершине горы в Африке вы хотите иметь возможность сказать о пациенте с ВИЧ, например, сколько CD четырех Т-лимфоцитов у этого пациента. Потому что Всемирная организация здравоохранения говорит, что при концентрации ниже 200 CD четыре клетки на микролитр, вы должны начать лечить пациентов В развитых странах вы используете сотни тысяч долларов проточных цитометров, чтобы иметь возможность получить эти данные.

И, конечно, требуется время для использования и, конечно, навыки, чтобы иметь возможность использовать эти машины размером с огромный стол. Наш маленький чип может быть введен в этот маленький пальчиковый кирпичик на 10 микролитров цельной крови, и он захватит четыре клетки CD, используя сродство поверхностных белков. И затем вы можете быстро подсчитать эти захваченные клетки, потому что вы знаете, что есть CD четыре клетки, которые прикреплены к CD четырем белкам, антителам на поверхности чипа.

Контролируя скорость потока и сдвиг, вы можете быть уверены в том, что специфичность и эффективность для этих типов ячеек оптимизированы. И, конечно, всегда есть неспецифическая привязка, но с помощью наших подходов мы минимизируем эти эффекты и гарантируем, что в пределах плюс минус 10% ошибок, что достаточно для принятия диагностического или прогностического решения на вершине горы в Африке. Таким образом, это имеет интересное применение для глобального здравоохранения, а также эти недорогие методы, которые являются одноразовыми, могут повлиять на развитый мир, потому что теперь эти быстрые анализы крови, которые действительно дешевы, могут повлиять на тесты, которые мы используем в развитых странах.

Если они будут оптимизированы до более высокого уровня эффективности и специфичности, что наши первоначальные данные показывают, что это может быть, то это определенно повлияет на нашу жизнь. Когда я только закончил докторскую диссертацию, я знал больше о микрофлюидике и о том, что в MAM больше, чем что-либо еще, что я мог видеть, особенно с применением капель, я мог видеть, что если я смогу печатать клетки и инкапсулировать клетки или манипулировать несколькими клетками, отдельными клетками, то это будет иметь отличное применение в области биотехнологии. И мне было очень интересно работать над вещами, которые действительно повлияют на жизнь людей.

Раньше я применял эти технологии в полупроводниковой промышленности, но потом мне захотелось быть полезным непосредственно людям. Так что именно это и направило меня к проблемам в здравоохранении. И вот почему я сделал большой сдвиг и пришел в больницу, массовую больницу общего профиля к постдоку.

И там, вы знаете, я все больше и больше сталкивался с проблемами, и, кажется, все ясно, что одна из самых больших проблем современного мира – это глобальное здравоохранение, и появляются такие болезни, как туберкулез, ВИЧ, которые убивают тысячи людей в день. И эти люди умирают не потому, что нет лекарств, а потому, что не хватает диагностических средств, которые намного дороже существующих лекарств. Так что я очень хорошо знаю технологическую сторону вещей.

Я сталкивался с биологическими проблемами, и чем больше я узнавал о них, тем больше я мог видеть, что могу оказать влияние. И вот так все и выросло. И это продолжается до сих пор.

Как я видел в биотехнологии и медицине, существует так много проблем, которые на самом деле напрямую приводят к гибели людей, и технологии, технологический аспект и возможность применить их к реальным медицинским проблемам – это отличный, я думаю, путь, по которому стоит идти. Это похоже на то, как вся эта биотехнологическая область, я думаю, растет, и это становится очень влиятельным. Если подумать, рак ВИЧ – это большие убийцы в мире.

И современные микротехнологии, современные подходы, возможно, выиграют от раннего выявления рака, захватывая эти клетки из крови или делая его действительно дешевым, что сделает его доступным для широких масс. Так что все эти вещи вместе, я думаю, что все эти микротехнологические приложения в здравоохранении и медицине могут повлиять на будущее людей. Так что, думаю, именно так все эти вещи складываются воедино.

И когда я работаю в Гарвардском массачусетском технологическом институте, где у вас есть технологии и с другой стороны, прямой доступ к пациентам, прямой доступ к врачам в Бригаме и Женской больнице, где я работаю, это отличная среда. Потому что у каждого человека, с которым вы разговариваете, есть свои проблемы, и вы, возможно, пришли из другого окружения. предлагают интересные решения существующих проблем реального мира. Так что, я думаю, именно так я вижу всю перспективу того, как эти медицинские проблемы встречаются с технологической стороной.

И мы стараемся влиять на жизнь людей в позитивном ключе. При инкапсуляции одиночных колпачков или при инкапсуляции ячеек основная проблема заключается в том, чтобы обеспечить надежную и воспроизводимую инкапсуляцию отдельных ячеек. Таким образом, вы выбрасываете 10 000 000 000 тысяч ячеек в секунду.

И как убедиться, что каждая капля, которую вы выбрасываете, имеет одну клетку? Эта статистика, где вы изменяете размер капель и минимизируете его, оптимизируете размер ячейки по отношению к размеру капли, что входит в старую проблему упаковки сфер в объем и как наиболее эффективно это сделать. Так что это самая большая проблема в области печати ячеек с технологической стороны.

Другой аспект заключается в том, что теперь вы можете сказать «печать» и точно определить местоположение этих ячеек. Как вы можете создать эти трехмерные ткани, как вы можете сохранить их живыми и как вы можете их пересадить? В биологической части проблемы возникает ситуация, когда вы хотите точно имитировать ткань.

В настоящее время у нас есть подходы, позволяющие напечатать глазок, глазок поджелудочной железы, и иметь возможность печатать с использованием гладких мышечных клеток, ткань мочевого пузыря, непосредственно имитируя то, что находится в человеческом или красном мочевом пузыре, чтобы затем мы могли создать эту ткань и проверить, насколько хорошо она работает по сравнению с реальными существующими нативными тканями. Так что, я думаю, это главная проблема, я думаю, при использовании этих новых технологий, как вы можете сделать идеальную ткань, которую можно заменить, которую можно пересадить, это, знаете, самая большая проблема с самого начала, потому что контроль над отдельными клетками дает вам возможность точно их локализовать. И как вы выращиваете его оттуда?

Так что это что-то пригодное для переноса туда, где проявляется влияние человеческой жизни. Итак, с этой точки зрения, с точки зрения тканевой инженерии, с точки зрения южной инкапсуляции и диагностики с использованием микрофлюидики, задача состоит в том, чтобы иметь возможность захватить клетку из миллиардов клеток. Это похоже на то, как если бы у вас была частица сахара в банке с солью, и вы пытались бы вытащить эту частицу сахара, и это примерно один из миллиарда.

Итак, вы перерабатываете от микролитров до миллилилитров цельной крови, и вы хотите иметь возможность целенаправленно и эффективно, без каких-либо технологических проблем, таких как засорение, или любых биологических проблем, таких как неспецифическое связывание, вы хотите иметь возможность выделить одну клетку из миллиарда клеток в одном микролитре цельной крови, у вас есть несколько миллионов клеток. И в случае с четырьмя Т-лимфоцитами в этом одном микролитре, мы имеем дело примерно с тысячей клеток на микролитр. Так что это как одна клетка из тысячи, когда мы показали, что это выполнимо.

Но когда вы хотите бороться с циркулирующими опухолевыми клетками на предмет рака, тогда задача становится одной на миллиард. Итак, подводя итог, можно сказать, что проблема заключается в том, как мы можем захватить эту одну клетку из миллиардов других клеток вокруг нее? А в чем заключаются технологические аспекты?

Что такое скорость потока? Какова конструкция устройства? Что, какие у нас расходи?

Что, каковы объемы крови, которые должны быть обработаны, и как убедиться, что клетки, которые вы захватываете, являются теми самыми, которые вы действительно хотели захватить? Все эти аспекты сформировали целую задачу, которую можно резюмировать в одном предложении: как вы можете захватить эту редкую клетку из миллиарда других? Так что это действительно проблема типа иголки в стоге сена, и это захватывающе.

И я думаю, что это двигает технологии вперед для решения этих проблем, что является текущим технологическим вызовом. Быть в состоянии вывести их на уровень, когда они выполняют ту работу, которую они должны делать, — это одно. А затем принести это в клинику и сделать из него продукт, требуется целый разный опыт, такой как возможность основать компанию, возможность запатентовать эти вещи, и все эти другие аспекты вступают в игру.

И я думаю, что мы, как ученые, в первую очередь не обладаем всеми теми навыками, которые переносят продукты с настольных компьютеров на продукты. И снова возникает важность сотрудничества с людьми с разным опытом. И есть много технологий, которые, на мой взгляд, могут быть очень эффективными и полезными.

Иногда они не попадают в клинику или в человечество, потому что этого просто не произошло, или потому что не было подходящего времени, или потому что появились другие эффекты, о которых я только что говорил. Или иногда нет прямой связи, которую вы не могли бы увидеть, что технология действительно может решить эту проблему. И человек, который занимается этой проблемой, или, скажем, биологи или люди в медицине, привыкли делать это одним способом в течение многих лет.

И люди, работающие с технологиями, в основном, если вы не специализируетесь на биотехнологиях, не знают о проблемах в медицине. Так что сближение этих двух сторон – это серьезное междисциплинарное исследование. И я думаю, что в последние годы весь акцент как на уровне NIH, так и на уровне исследовательских лабораторий и университетов мы видим на создании междисциплинарных исследований.

Таким образом, люди в конечном итоге получают докторскую степень, где они должны знать несколько областей. Например, для моей докторской диссертации я должен был знать акустику, я должен был знать мем, я должен был знать микрофлюидики, и я должен был применить это для полимеров. Итак, теперь вы видите очень глубокие знания в одной области, в то время как на самом деле вам нужно было хорошо знать три другие области, чтобы иметь возможность решить эту проблему.

Так что я думаю, что ответ заключается в междисциплинарных исследованиях в сочетании с людьми с деловыми навыками, чтобы сделать их доступными для использования людьми, это целый большой процесс и некоторые неэффективности, которые проявляются в определенных местах. Потому что этот низкий процент передачи технологий.