BioMEMS: Кузнечно Новое сотрудничество между биологов и инженеров
1 ноября 2007 г.
Меня зовут Ньюли Джон, я работаю на кафедре биомедицинской инженерии Калифорнийского университета в Ирвайне. Мои исследования посвящены разработке новых биомедицинских и микрофлюидных устройств для нейронаук и исследований стволовых клеток. Биомедицинская микрофлюидика — относительно молодая дисциплина, развивающаяся последние 5–10 лет, в которой широко используются методы и опыт, разработанные для индустрии интегральных схем.
Таким образом, мы используем методы и подходы миниатюризации, разработанные для интегральных схем, для изготовления малогабаритных устройств с микроканалами и резервуарами, и применяем их в задачах клеточной биологии. Традиционно большинство биологических экспериментов проводилось в масштабе чашки Петри. Таким образом, при изучении клетки диаметром около 10 микрон мы фактически имеем дело с маленькой клеткой, погруженной в большой объем жидкости.
С помощью микрофлюидных устройств мы можем контролировать среду вокруг клетки. Взаимодействие между клетками, а также влияние растворимых факторов на клетки можно регулировать гораздо точнее, чем при проведении эксперимента в большем масштабе в чашке Петри. Таким образом, эти новые разработки в области микрофлюидики открывают большие перспективы с точки зрения контроля и воспроизводимости по сравнению с традиционными методами.
Наши исследования по использованию микрофлюидных устройств для изучения миграции клеток включают разработку новых устройств, способных поддерживать стабильный градиент растворимых факторов над клетками, что позволяет нам изучать реакцию клеток на различные факторы роста или хемокины. Это предполагает точный контроль потока жидкости над группой клеток или отдельными клетками, что имеет принципиальное значение для большинства биологических процессов, таких как морфогенез, метастазирование рака и иммунный ответ. Подобно микрофлюидным устройствам для создания градиентов, устройства для культивирования нейронов и, в особенности, коганных нейронов являются новым направлением развития микрофлюидики.
С помощью этих устройств мы можем изолировать и очищать аксональные фракции, а также получать высокополяризованные структуры. В данном случае, по сравнению с традиционными методами, такими как использование перегородок и камер, где иногда было трудно предотвратить утечки и возникали другие экспериментальные сложности, микрофлюидные устройства обеспечивают в целом более воспроизводимые результаты и одновременно представляют собой оптически совместимую платформу, позволяющую проводить микроскопию высокого разрешения.
Данное устройство используется для проведения экспериментов по изучению механизмов аксонального транспорта. С помощью этого нового микрофлюидного устройства для культивирования нейронов многие наши коллеги по всей стране исследуют различные модели нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Мне очень повезло иметь прекрасных соавторов на факультетах нейробиологии и патологии здесь, в Калифорнийском университете в Ирвайне (UC Irvine). Я тесно сотрудничаю с Каром Каман Стьюартом, Эдом Монки и лабораторией Лизы Флэнаган.
Наше сотрудничество подразумевает регулярные встречи, в ходе которых мы пытаемся выяснить, с какими проблемами сталкиваются биологи. На этих регулярных встречах мы обнаруживаем, что, несмотря на наличие общепринятых инструментов, все еще существует множество областей применения, где мы, как биомедицинские инженеры, можем сыграть значительную роль в совершенствовании и понимании этих биомедицинских исследований. Так, например, наше сотрудничество с лабораториями доктора Монки и доктора Фланагана на протяжении последних пяти лет было очень продуктивным.
Во-первых, наши студенты могут научиться тесно взаимодействовать с группами из различных научных дисциплин. В то же время нам посчастливилось решать задачи в области биологии стволовых клеток. Например, культивирование и дифференцировка стволовых клеток в микрофлюидных устройствах позволили взглянуть по-новому на то, как стволовые клетки ведут себя в градиенте морфогена, такого как BMP.
Я считаю, что подобный тип сотрудничества станет важной частью науки будущего, поскольку все больше инженеров начинают интересоваться биомедицинскими исследованиями. В то же время растет потребность в новых инструментах с новыми возможностями в области нейронаук и других биологических наук, поэтому я ожидаю появления множества плодотворных коллабораций, которые придадут серьезный импульс развитию биомедицинских исследований. Кроме того, я считаю, что область микрофлюидики и биомемов сейчас находится на захватывающем этапе.
Практически каждый день разрабатывается множество новых приложений. Я ожидаю, что через пять лет гораздо больше биологов будут использовать подобные устройства в своих ежедневных исследованиях, для проведения рутинных экспериментов, изучения миграции клеток или в других специальных целях. Поскольку эти устройства обладают множеством преимуществ по сравнению с традиционными методами культивирования в чашках Петри, я полагаю, что пределом в разработке новых типов приложений является только воображение.
И я верю, что тесное сотрудничество с биологами приведет к созданию новых типов устройств, которые сыграют значительную роль в дальнейшем развитии биомедицинских исследований.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Джон из Калифорнийского университета в Ирвайне рассказывает о своих исследованиях по разработке новых биомедицинских и микрофлюидных устройств для нейробиологии и исследований стволовых клеток. Эта развивающаяся область использует методы индустрии интегральных схем для создания миниатюрных устройств, применяемых в клеточной биологии.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Биомедицинская инженерия
- Нейронаука
- Микрофлюидика
Теоретические сведения
- Микрофлюидика — это молодая дисциплина, которая развивалась на протяжении последнего десятилетия.
- В ней используются методы из индустрии интегральных схем.
- В традиционных биологических экспериментах обычно используются более крупные масштабы, например, чашки Петри.
- Клетки часто погружены в большие объемы жидкости, что может ограничивать точность эксперимента.
Цель исследования
- Разработка малогабаритных устройств с каналами и резервуарами для применения в клеточной биологии.
- Повышение точности экспериментов с использованием мелких клеток.
- Изучение потенциала миниатюризации в биомедицинских исследованиях.
Используемые методы
- Разработка новых биомедицинских устройств.
- Применение микрофлюидных методов.
- Использование методов миниатюризации из области интегральных схем.
- Экспериментальное проектирование, ориентированное на маломасштабные биологические приложения.
Основные результаты
- Создание устройств, способных манипулировать малыми объемами жидкости.
- Расширение возможностей проведения экспериментов в микромасштабе.
- Потенциал для улучшения результатов исследований в области нейробиологии и стволовых клеток.
- Демонстрация преимуществ миниатюризированных экспериментальных установок.
Выводы
- Микрофлюидные устройства представляют собой значительный прогресс в биологических исследованиях.
- Миниатюризация позволяет проводить более точные и контролируемые эксперименты.
- Дальнейшее развитие в этой области может трансформировать нейронауку и применение стволовых клеток.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для промышленности
Микрофлюидные устройства обеспечивают точный контроль клеточного микроокружения, решая одну из основных проблем нейробиологии и исследований стволовых клеток, где традиционным моделям в чашках Петри не хватает пространственного и временного разрешения. Эта технология способствует снижению механистических рисков за счет обеспечения флюидной изоляции аксональных и соматических компартментов, что облегчает проведение исследований с направленным воздействием и сбор чистых фракций для последующего анализа. Платформа повышает прогностическую достоверность при валидации мишеней и разработке анализов за счет улучшения воспроизводимости и возможности получения высокоразрешающих изображений живых клеток.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранние этапы поиска и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проверять терапевтические гипотезы путем флюидной изоляции нейрональных компартментов для изучения специфических ответов каждого компартмента на воздействие растворимых вредных факторов.
- Практическая ценность: способствует функциональной валидации мишеней за счет поддержания поляризованных нейрональных структур в течение до 2-3 недель, что позволяет проводить лонгитюдную оценку аксонального транспорта и дегенерации.
- Прогностическая ценность: повышает достоверность исследований по взаимодействию с мишенью за счет снижения экспериментальной вариабельности путем точного контроля микроокружения и создания воспроизводимых флюидных градиентов.
Скрининг и разработка методов анализа
- Научная ценность: Предоставляет стандартизированную платформу для подготовки валидированных биологических систем с флюидной сепарацией, что обеспечивает надежный скрининг соединений в отдельных аксональных или соматических компартментах.
- Операционная ценность: Повышает воспроизводимость и масштабируемость анализа за счет использования прецизионных формованных полимерных деталей и совместимости с дифференциально-интерференционным, фазово-контрастным, конфокальным и двухфотонным микроскопическим методами.
- Полезность платформы: Поддерживает последующий биохимический анализ, такой как PCR чистых аксональных фракций, что повышает готовность к скринингу для выяснения мишеней и путей передачи сигнала.
Трансляционные и доклинические исследования
- Трансляционная значимость: Моделирование повреждений ЦНС и нейродегенерации за счет обеспечения локальной доставки токсикантов или агрегатов в аксональные компартменты в течение до 20 часов после смены среды.
- Преклиническая преемственность: Обеспечение связи между этапом открытия и преклинической валидацией за счет возможности проведения лонгитюдного культивирования и иммуноцитохимического анализа в фиксированной конечной точке для оценки структурных и функциональных результатов.
- Прогресс с учетом рисков: Обоснование принятия решений о целесообразности дальнейшего развития (go/no-go) путем получения количественных показателей по конкретным компартментам, что снижает механистическую неопределенность в отношении изучаемых путей.
Интеграция конвейеров и рабочих процессов
Микрофлюидная платформа для культивирования нейронов интегрируется в непрерывный процесс исследований — от проверки гипотез и идентификации перспективных соединений до доклинической валидации, обеспечивая итеративные циклы разработки и тестирования при создании нейротерапевтических средств.
- Фундаментальная биология: способствует проверке гипотез, обеспечивая точный пространственно-временной контроль градиентов растворимых факторов для изучения хемотаксиса, морфогенеза и ответов иммунных клеток в редукционистском формате.
- Скрининг: обеспечивает готовность к проведению анализа благодаря оптически совместимым, флюидно изолированным камерам, которые позволяют проводить параллельную оценку соединений без перекрестного загрязнения.
- Аналитика: позволяет получать количественные измерения зависимых переменных, таких как интенсивность флуоресценции аксонов, скорость транспорта и молекулярные профили очищенных фракций на основе ПЦР.
- Трансляционные исследования: интегрируются в доклинические рабочие процессы путем моделирования механизмов патологии ЦНС, таких как дегенерация аксонов и дефицит транспорта, имеющих значение для болезней Альцгеймера и Паркинсона.
- Корпоративное повторное использование: функционирует как многоразовая платформа для различных проектов благодаря своей адаптивности к разным типам нейронов, производным стволовых клеток и анализам растворимых факторов.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов при валидации мишеней за счет снижения биологического шума и возможности минимизации рисков путем изучения механизмов с помощью компартмент-специфического воздействия.
- Операционная ценность: обеспечивает стандартизацию и воспроизводимость благодаря прецизионному формованию и жидкостному контролю, что минимизирует вариабельность между лунками и отдельными экспериментами.
- Стратегическая ценность: повышает эффективность использования капитала за счет сокращения числа ложноположительных результатов при первичном скрининге и снижения процента неудач на поздних стадиях благодаря более высокой биологической достоверности.
- Влияние на портфель: позволяет осуществлять приоритизацию нейротерапевтических кандидатов с учетом рисков на основе профилей эффективности и токсичности с разграничением по компартментам.
Особенности реализации
- Требуется опыт в проектировании микрофлюидных устройств, культивировании нейронов и прижизненной визуализации клеток для оптимизации изготовления устройств и настройки эксперимента.
- Зависит от наличия инструментов для изготовления микрофлюидных чипов, систем контроля давления для гидростатической изоляции и совместимых платформ микроскопии.
- Необходима межкомандная стандартизация между инженерами и биологами для обеспечения стабильной работы устройств и единообразной интерпретации данных.
- При переходе от нейронов ЦНС к другим типам клеток, таким как стволовые или иммунные клетки, требуются корректировки с учетом различий в свойствах адгезии и миграции.
- Ограничено необходимостью соблюдения правил асептики и протоколов смены среды для поддержания флюидной изоляции в течение длительных периодов культивирования (2-3 недели).
