Микро-масштаба Техника для клеточной биологии
1 октября 2007 г.
Джоэл Голдман. Я доцент кафедры электротехники и компьютерных наук в MIT. Работаю здесь пять лет.
В целом мы занимаемся вопросами микромасштабного инжиниринга в применении к клеточной биологии. Наши исследования сосредоточены в двух основных областях. Первая из них — общая цитометрия клеток, которая включает в себя такие задачи, как создание микромасштабных платформ для сортировки клеток.
Значительная часть работы основана на возможности сортировки после микроскопии, таким образом, мы можем получать изображения, а затем изолировать различные клетки или создавать заданные массивы клеток, состоящие, например, из клеток типа A и клеток типа B, подвергнутых воздействию стимула C, и использовать подобные функциональные возможности. Другая часть лаборатории сосредоточена на микротехнологиях для биологии стволовых клеток. Основное внимание здесь уделяется эмбриональным стволовым клеткам, в первую очередь изучению процессов самообновления.
Мы применяем несколько различных подходов. Мы используем микрофлюидное культивирование с перфузией жидкости, чтобы добиться лучшего контроля над диффузными сигналами, а также создаем определенный паттерн расположения колоний для управления взаимодействиями между ними.
Затем мы приступаем к паттернингу клеток, и именно здесь применяется технология bio flip chip, которая позволяет фактически транспортировать одиночные клетки и размещать их в определенных конфигурациях. Изучение клеток на планшете представляет собой отличный подход; за последние 25 лет, используя этот метод, мы смогли узнать очень многое о биологии стволовых клеток. Таким образом, это прекрасный метод, и если он работает в вашем случае, его следует использовать.
Однако бывают случаи, когда дополнительный контроль на уровне масштабов отдельных клеток имеет важное значение. Если задуматься о том, насколько строго регулируется развитие in vivo, несложно представить, что возможность управлять взаимодействием клеток, составом субстрата, на котором они располагаются, и средой, в которой они находятся, в зависимости от времени и на клеточном уровне будет иметь решающее значение для развития тканей. При разработке методов терапии крайне важно глубоко понимать фундаментальную биологию процессов морфогенеза и подобных событий.
Таким образом, многие из наших устройств предназначены для того, чтобы дать ответы на фундаментальные вопросы, например: почему эмбриональные стволовые клетки принимают решение о самообновлении? Самообновление в противовес дифференцировке. Кроме того, при попытке масштабирования производства важно понимать, какие именно факторы играют ключевую роль в этом процессе.
Таким образом, например, применительно к методу bio flip chip, мы начинаем задаваться вопросами о том, в каких условиях и каким образом следует культивировать клетки, чтобы максимизировать интересующие вас показатели: сохранение недифференцированного состояния, эффективность посева и так далее. Именно такие аспекты нас интересуют. И в-третьих, в связи с этим возникает целый ряд вопросов о том, почему мышиные ИК-стволовые клетки отличаются от человеческих ИК-стволовых клеток?
В чем их различие? Является ли это артефактом культуры? Или это фундаментальное различие?
Подобные вопросы. Я полагаю, что в ближайшие пять-десять лет начнут появляться новые методы терапии на основе эмбриональных стволовых клеток, что, как мне кажется, еще не было продемонстрировано. Однако некоторые результаты недавних работ по репрограммированию и те конечные точки, которых удается достичь исследователям, выглядят очень, очень впечатляюще.
Поэтому я полагаю, что если несколько лет назад я бы сказал, что до этого еще лет 20, то теперь я думаю, что это случится скорее через пять или десять лет.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Джоэл Голдман, доцент Массачусетского технологического института (MIT), специализируется на микромасштабной инженерии в применении к клеточной биологии. Его исследования сосредоточены главным образом на цитометрии клеток и разработке микромасштабных платформ для сортировки клеток.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биология клетки
- Микромасштабная инженерия
- Цитометрия клеток
Введение
- Исследование методов сортировки клеток.
- Применение инженерных принципов в биологическом контексте.
- Разработка инновационных микромасштабных платформ.
- Междисциплинарный подход, объединяющий инженерное дело и биологию.
Цель исследования
- Усовершенствовать методики сортировки клеток.
- Создать эффективные микромасштабные платформы для биологических приложений.
- Углубить понимание поведения клеток с помощью инженерных решений.
Используемые методы
- Методы микромасштабного проектирования.
- Методологии сортировки клеток.
- Планирование экспериментов для биологических приложений.
- Интеграция инженерных и биологических исследований.
Основные результаты
- Разработка новых микромасштабных платформ.
- Улучшенные методы сортировки клеток.
- Понимание поведения клеток с помощью инженерных решений.
- Успешное применение инженерных подходов в биологии клетки.
Выводы
- Микромасштабная инженерия значительно расширяет возможности исследований в области клеточной биологии.
- Инновационные платформы могут привести к прорывам в области сортировки клеток.
- Междисциплинарные подходы имеют решающее значение для развития научных знаний.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Микромасштабная инженерия обеспечивает точный контроль над клеточным микроокружением, что способствует снижению неопределенности при изучении механизмов биологии стволовых клеток и валидации мишеней для регенеративной терапии. Конструируя определенные клеточные конфигурации и условия передачи сигналов, исследователи могут изучать фундаментальные механизмы самообновления и дифференцировки, повышая прогностическую точность доклинических моделей. Данный подход связывает фундаментальную биологию с трансляционной значимостью, уменьшая неоднозначность в определении судьбы клеток, что имеет решающее значение для разработки терапевтических методов.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первоначальный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: Позволяет проверять терапевтические гипотезы путем контроля клеточных взаимодействий, состава субстрата и воздействия растворимых факторов в физиологически значимых масштабах.
- Практическая ценность: Обеспечивает функциональную валидацию мишеней с помощью определенных массивов кокультур и тестирования реакции на стимулы в системах стволовых клеток.
- Прогностическая ценность: Повышает достоверность идентификации перспективных соединений-лидеров за счет выяснения механизмов, определяющих судьбу стволовых клеток в контролируемых условиях микроокружения.
Скрининг и разработка методов анализа
- Готовность анализа: Микромасштабные платформы, такие как био-флип-чип, облегчают подготовку стандартизированных клеточных массивов для воспроизводимого скрининга соединений или стимулов.
- Количественные показатели: Позволяет измерять эффективность посева, формирование колоний и маркеры дифференцировки в качестве зависимых переменных в рабочих процессах скрининга.
- Масштабируемость и повторное использование: Поддерживает адаптацию к различным модельным системам (например, стволовым клеткам мыши и человека) для оценки видоспецифических ответов на ранних этапах разработки.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная преемственность: позволяет изучать видоспецифические различия в поведении стволовых клеток, что способствует согласованию трансляционных биомаркеров и выбору доклинических моделей.
- Механистическое снижение рисков: обеспечивает зависящий от времени контроль компонентов ниши для имитации сигнальных путей развития, что снижает неопределенность при прогнозировании морфогенеза тканей.
- Прогресс с учетом рисков: предоставляет данные о факторах масштабирования, имеющих значение для производственных аспектов терапии на основе стволовых клеток.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Данная технология интегрируется на всех этапах — от ранних стадий поиска до доклинических исследований, позволяя проводить исследование поведения клеток на основе выдвинутых гипотез, поддерживать стандартизацию анализов и обосновывать трансляционные решения за счет контроля микроокружения.
- Фундаментальная биология: способствует уточнению сигнальных путей и снижению биологических рисков за счет изоляции переменных во взаимодействиях между стволовыми клетками и их нишей.
- Скрининг: обеспечивает готовность анализа за счет стандартизированного распределения клеток и перфузионного культивирования для обеспечения однообразного воздействия стимулов.
- Аналитика: позволяет получать количественные показатели клеточных ответов (например, самообновление в противовес дифференцировке), что делает возможным сравнительный анализ условий.
- Трансляционные исследования: связывают фундаментальные открытия с доклинической работой посредством моделирования условий ниши, релевантных для человека, и выявления консервативных регуляторных механизмов.
- Применение в организации: представляет собой модульную платформу, адаптируемую к различным типам клеток и схемам экспериментов в рамках исследовательских проектов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Снижение механистической неопределенности в биологии стволовых клеток за счет точного пространственно-временного контроля клеточного микроокружения.
- Операционная ценность: Повышение воспроизводимости и стандартизации анализов стволовых клеток с помощью определенных геометрических и флюидных ограничений.
- Стратегическая ценность: Оптимизация принятия решений о целесообразности дальнейшей разработки (go/no-go) за счет повышения уверенности в валидности целевого механизма и снижения риска биологических неудач на поздних этапах.
- Влияние на портфель: Обеспечение приоритезации кандидатов на основе стволовых клеток с учетом рисков за счет улучшенного прогностического моделирования результатов дифференцировки.
Особенности реализации
- Требуется опыт в области микромасштабного изготовления, микрофлюидики и методов культивирования стволовых клеток.
- Зависит от доступа к инфраструктуре для мягкой литографии, формования из PDMS и флуоресцентной микроскопии.
- Необходимы протоколы стандартизации посева клеток, контроля перфузии и экологического мониторинга между исследовательскими группами.
- Требуется учет особенностей адаптации при переносе платформ с систем стволовых клеток мыши на человеческие системы в связи с различиями в требованиях к нише.
- Ограничено пропускной способностью при масштабировании манипуляций с отдельными клетками для проведения крупномасштабных кампаний по скринингу.
