Двухслойное микрофлюидное устройство для производства комбинаторных пробок
1 декабря 2023 г.
Представлено изготовление двухслойного устройства на основе полидиметилсилоксана (PDMS) для получения комбинаторных библиотек в водомасляных эмульсиях (пробках). Необходимое аппаратное и программное обеспечение, необходимое для автоматизации производства свечей, подробно описано в протоколе, а также демонстрируется производство количественной библиотеки флуоресцентных свечей.
Мы в Группе системной биологии для онкологии используем комбинированный вычислительный и экспериментальный подход, чтобы разгадать сложный механизм, формирующий микроокружение опухоли. Мы используем математические модели, основанные на клинических данных и биологии рака, для выявления факторов, влияющих на индивидуальный ответ на терапию, с конечной целью улучшения точной онкологии. Учитывая гетерогенный и динамический характер ответа опухоли на терапию, биология возмущений показала потенциал преодоления ограничения геномных биомаркеров.
Наш подход включает в себя подвергание рецептивных опухолевых клеток обширному скринингу противораковых препаратов для выявления фенотипических свойств опухолей с целью определения более эффективных противораковых методов лечения. Микрофлюидика является ценной технологией, которая помогает в анализе небольшого количества образца, такого как биопсия опухоли, распределяя его по отдельным отсекам, таким как капли или пробки. Это также позволяет контролировать состав каждой пробки, тем самым создавая несколько популяций химически различных пробок.
Мы представляем здесь устройство, полностью основанное на PDMS, в котором поток жидкости регулируется клапанами землетрясения, приводимыми в действие давлением, которые позволяют быстро, контролируемо и программируемо производить отдельные популяции пробок. Кроме того, поскольку противотрясающие клапаны также основаны на PDMS, они могут быть легко интегрированы в производство устройств. Объединение данных, полученных в результате комбинаторного скрининга раковых клеток через глаз, с математическими моделями позволит изучить сигнальные пути, регулирующие поведение микроокружения опухоли.
Это исследование проложит путь к новым стратегиям в области точной онкологии, дав обоснование для персонализации лечения для отдельных пациентов.
Обзор
В данной статье представлен процесс изготовления двухслойного устройства на основе PDMS, предназначенного для создания комбинаторных библиотек в эмульсиях типа «вода в масле». В протоколе подробно описаны аппаратное и программное обеспечение, необходимые для автоматизации производства капель-плагов, а также продемонстрировано создание количественной библиотеки флуоресцентных капель-плагов.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Микрофлюидика
- Комбинаторный скрининг
- Биология рака
Теоретические сведения
- Опухолевое микроокружение является сложным и динамичным.
- Прецизионная онкология стремится персонализировать лечение на основе индивидуальных ответов.
- Микрофлюидика позволяет анализировать малые объемы образцов путем создания отдельных отсеков.
- Устройства из ПДМС обеспечивают контролируемый поток жидкости для эффективного создания сегментов.
Цель исследования
- Разработать устройство для создания различных популяций эксплантатов (плагов) для исследований рака.
- Объединить экспериментальные данные с математическими моделями для более глубокого понимания поведения опухоли.
- Усовершенствовать стратегии прецизионной онкологии.
Используемые методы
- Изготовление микрофлюидного устройства на основе PDMS.
- Использование клапанов Квейка с пневматическим приводом для регулирования потока жидкости.
- Автоматизированное создание пробок с помощью программного управления.
- Генерация комбинаторной библиотеки флуоресцентных пробок.
Основные результаты
- Была успешно создана количественная библиотека пробок.
- Устройство продемонстрировало эффективное регулирование потока жидкости.
- Была описана интеграция математических моделей с экспериментальными данными.
- Обсуждались потенциальные области применения в прецизионной онкологии.
Выводы
- Устройство на основе PDMS является ценным инструментом для исследований рака.
- Оно облегчает получение химически различных популяций капелек.
- Данный подход может привести к совершенствованию стратегий лечения рака.
Часто задаваемые вопросы
Значимость для промышленности
Высокопроизводительное комбинаторное создание пробок с использованием двухслойных микрофлюидных устройств позволяет осуществлять быстрый программируемый скрининг лекарственного ответа в ограниченных объемах образцов, полученных от пациентов. Эта технология решает проблему создания количественно определенных, химически различных реакционных камер для фенотипического скрининга и анализа сигнальных путей в онкологии. Ее интеграция с компьютерным моделированием повышает прогностическую достоверность и позволяет снизить механистические риски в критические моменты этапа поиска новых лекарственных средств.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Позволяет систематически воздействовать на опухолевые клетки для проверки терапевтических гипотез и уточнения сигнальных путей.
- Способствует биологическому снижению рисков путем создания различных химических сред для функциональной валидации мишеней.
- Повышает прогностическую уверенность при выборе мишени благодаря количественным результатам мультиплексного скрининга.
Скрининг и разработка анализа
- Подготовка валидированных миниатюризированных биологических систем для последующих рабочих процессов высокопроизводительного скрининга.
- Получение стандартизированных, воспроизводимых популяций плагов с программируемым составом и количеством.
- Обеспечение возможности масштабируемой автоматизированной разработки анализов для надежной оценки соединений и расширения библиотек.
Трансляционные и доклинические исследования
- Обеспечивает согласованность комбинаторного скрининга с системами, релевантными для заболевания, с использованием биоптатов опухолей пациентов.
- Поддерживает трансляционную непрерывность от этапа открытия до доклинической валидации путем интеграции экспериментальных и вычислительных данных.
- Снижает механистические риски для стратегий прецизионной онкологии путем картирования фенотипических ответов на препараты.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Эта двухслойная микрофлюидная платформа подходит для всех этапов: от первичного поиска до идентификации соединений-лидеров и доклинических исследований, особенно в рамках разработок, ориентированных на онкологию.
- Биология открытий: поддерживает проверку гипотез и уточнение путей за счет проведения экспериментов по контролируемому воздействию в нанолитровых отсеках.
- Скрининг: обеспечивает создание готовых к анализу воспроизводимых библиотек плагинов с количественными данными для сравнительного анализа.
- Аналитика: предоставляет высококонтентные количественные измерения для статистического сравнения ответов на препараты и активности сигнальных путей.
- Трансляционные исследования: связывает этапы открытия и доклинических исследований, позволяя напрямую использовать образцы, полученные от пациентов, в комбинаторном скрининге.
- Корпоративное повторное использование: предлагает программируемую масштабируемую платформу, адаптируемую к различным потребностям скрининга и разработки анализов в разных терапевтических областях.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов и снижает неопределенность механизмов при валидации мишеней и путей.
- Операционная ценность: стандартизирует и автоматизирует производство плагов для обеспечения воспроизводимости и масштабируемости рабочих процессов скрининга.
- Стратегическая ценность: улучшает качество принятия решений о продолжении или прекращении разработки (go/no-go) и эффективность использования капитала за счет обеспечения надежной генерации мультиплексных данных.
- Влияние на портфель: поддерживает приоритезацию с учетом рисков и продвижение кандидатов на основе количественных данных фенотипического скрининга.
Особенности реализации
- Требуется опыт в изготовлении микрофлюидных устройств и работе с потоками жидкостей под давлением.
- Необходима интеграция программируемого оборудования, программного обеспечения и аналитической инфраструктуры для автоматизированной работы.
- Требуется межкомандная стандартизация кодирования состава пробок и управления данными.
- Метод адаптируем к различным модельным системам, но может потребовать оптимизации для разных типов клеток или реагентов.
- Рабочие пределы давления и пороги срабатывания клапанов должны быть проверены для каждого конкретного применения.
