Разработке новых терапевтических приложений с помощью Microfluidics

Меня зовут Мамед Тонер. По образованию я инженер-механик, позже я получил профильное образование в области биомедицинской инженерии и наук. Я являюсь преподавателем в Массачусетской общей больнице, Гарвардской медицинской школе, а также в отделе наук и технологий здравоохранения Гарварда и Массачусетского технологического института (MIT), где я занимаюсь исследованием различных применений биомедицинской инженерии в медицине: от поиска определенных клеток в крови, которые можно обнаружить очень быстро, до изучения изменений в их физиологии, чтобы понять состояние этих клеток при заболевании, например, при воспалении, ожоге или у пациента с травмой.

При попытке понять ответ врожденной иммунной системы и механизмы регуляции воспалительного ответа клетками крови в подобных случаях, а также при изучении их геномики и протеомики, возникает необходимость выделить эти клетки, не изменяя их физиологию, уровни экспрессии и прочие характеристики. Таким образом, предметом исследования становится естественная физиология лежащей в основе проблемы, а не артефакт, возникший в результате манипуляций с клетками.

Другими областями применения станут устройства для диагностики по месту оказания медицинской помощи, такие как чипы для глобального здравоохранения, которые могли бы измерять количество интересующих клеток для принятия решения о начале терапии, например, уровень CD four-положительных лимфоцитов. В связи с этим мы работаем над созданием чипов на основе микрофлюидной технологии, способных обнаруживать и подсчитывать CD four-положительные клетки. Более сложные области применения будут связаны с тем, что мы называем детекцией редких клеток. В медицине, в клинической практике, мы обычно имеем дело с распространенными типами клеток и пытаемся понять физиологию пациента на их основе.

Однако на самом деле многие физиологические или патофизиологические процессы контролируются гораздо более редкими типами клеток, такими как дендритные клетки, стволовые и регуляторные клетки или, в случае рака, циркулирующие опухолевые клетки. Таким образом, нас интересует поиск редких клеток, которые фактически определяют ответ на различные виды лечения, а также могут быть использованы в диагностике. Это очень широкий аспект применения микрофлюидики и размещения клеток на чипах для ряда диагностических и терапевтических целей.

Ранние исследования в области микрофлюидики были сосредоточены преимущественно на создании устройств, используя инструменты микросистемных технологий, разработанных для интегральных схем, и применяя миниатюризацию систем для концепций типа «лаборатория на чипе», в рамках которых разрабатывались системы микропроточной цитометрии, микроэлектрофореза и микрохроматографии. Эти исследования по миниатюризации дали нам глубокое понимание того, как объединить биологические системы с микросистемами. Однако до сих пор в данной области не хватало основных приложений — успешных внедрений, которые можно было бы назвать «блокбастерами» или технологиями с высокой клинической значимостью.

Поскольку наши лаборатории находятся при крупном научно-исследовательском госпитале, наша деятельность сосредоточена на поиске значимых и перспективных способов применения этих технологий, а также на определении областей, в которых мы сможем решить проблемы, не имевшие ранее решения. Например, в целях глобального здравоохранения для диагностики СПИДа может быть разработан недорогой одноразовый чип, позволяющий выявлять положительные лимфоциты в цельной крови, взятой из пальца, и обладающий характеристиками для использования непосредственно в месте оказания медицинской помощи. В случае успеха эта технология будет доступна миллионам людей.

Поэтому производство этих устройств, масштабирование и их применение в высокоэффективных областях стали тем, на чем сосредоточили внимание мы и многие другие специалисты в данной области в последнее время. Именно здесь, по моему мнению, произойдут основные прорывы — в поиске значимых способов применения этих технологий в клинической медицине и биологических науках; те же инструменты оригинальными способами исследуются для изучения фундаментальных биологических процессов, таких как взаимодействие клеток, реакция клеток на внешние стимулы и высокоточный контроль микроокружения клеток и тканей, что в дальнейшем позволяет понять основные процессы, регулирующие биологический ответ. Примером применения подобных подходов являются концепции «живых библиотек», над которыми мы работаем: меченные клоны клеток, сообщающие об экспрессии различных генов, могут быть помещены в сложную микрофлюидную сеть и подвергнуты воздействию тысяч различных условий в рамках одного эксперимента.

Кроме того, вы можете отслеживать экспрессию генов в этих клетках в режиме реального времени, поскольку они помечены специфическими маркерами — разные клоны помечены разными генами. На мой взгляд, одной из самых серьезных проблем в этой области является вопрос о том, как перенести результаты фундаментальных исследований или, так сказать, эти впечатляющие технологии в плоскость создания новых методов терапии или значимых биологических приложений; это очень многодисциплинарная область.

Вам потребуются инженеры, физики, биологи, нейробиологи — в зависимости от области применения. Поэтому, на мой взгляд, одной из главных проблем стало преодоление разрыва между этими дисциплинами. Большинство ранних открытий были сделаны инженерами и физиками, которые не имели надлежащей подготовки или глубокого понимания биологических проблем.

Однако в последнее время биологи также обнаруживают, что разрыв между этими различными дисциплинами значительно сокращается, поскольку как биологи, так и междисциплинарные группы, такие как наша, проявляют большой интерес к применению этих инструментов в клинической медицине и биологии. На мой взгляд, этот междисциплинарный аспект является одним из основных факторов, влияющих на внедрение данных идей. Другим таким фактором является взаимодействие между академической средой и промышленностью.

Многие из этих идей рождаются в академической среде, однако они очень сложны и включают в себя работу с клетками, сложные биологические процессы, а также трудности в области проектирования, производства и упаковки. Поэтому перенос этих технологий в коммерческую плоскость требует пристального внимания. Часть этой нагрузки ложится на плечи промышленности.

Процесс внедрения фундаментальных прорывов в промышленность не является простым, особенно когда речь идет о клинических исследованиях и биологических образцах. Таким образом, две основные проблемы, которые нам предстоит решить в ближайшие годы, — это мультидисциплинарный характер данной области и переход от академических исследований к промышленному применению. Однако сейчас многие группы работают над этими вопросами, и я вижу весьма многообещающее будущее для применения того, что я называю «крошечными технологиями» — микро- и нанотехнологий в медицине и биологии.