biomems ve hücresel biyoloji: perspektifler ve uygulamalar

BioMEMS and Cellular Biology: Perspectives and Applications

Kültür hücreleri temel hücre ve moleküler biyoloji araştırma yeteneğini hipotez testleri devrim yarattı. Uyuşturucu taraması, toksikoloji, klinik testlerin standart bir yöntem haline gelmiştir ve giderek rejeneratif tıp kullanılır. Ancak, aslında homojen bir sıvı orta ve homojen bir düz substrat hücrelerinin büyük bir nüfus daldırma oluşan geleneksel hücre kültürü yöntemi, giderek daha temel ve pratik bir bakış açısıyla hem sınırlayıcı haline gelmiştir. Mikroimalat teknolojileri mikrometre kontrolü, yüzey biyokimyasal bileşimi ve topoloji, ve orta kompozisyon yanı sıra çevresindeki hücresel mikroçevresinin komşu hücre tipi, tasarım araştırmacıları sağlamıştır. Ayrıca, mikroteknik kavramsal gelişimi için oldukça uygun, hızlı, düşük maliyetli, çok sayıda koşullar altında, hücrelerde yüksek verimli kültür ve analiz için izin in vitro sistemleri. Bu röportajda, Albert Folch yumuşak litografi ve Mikroakiskan nasıl aşılabilir, bu sınırlamaların açıklar ve onun laboratuar ve geleceğe yönelik bazı araştırma ile ilgili örnekler açıklanmaktadır.

BioMEMS ve Hücresel Biyoloji: Perspektifler ve Uygulamalar

Hücre kültürü yapabilme yeteneği, temel hücre ve moleküler biyoloji araştırmalarındaki hipotez testlerini köklü bir değişime uğratmıştır. Bu yöntem, ... için standart bir metodoloji haline gelmiştir.

Ben Albert Falk. Seattle'daki Washington Üniversitesi'nde profesörüm ve biyomedikal mikro elektromekanik sistemler anlamına gelen MEMS'lerin geniş çalışma alanı üzerinde çalışıyorum. Mikroakışkanlar üzerine çalışıyor ve temel olarak nörobilim başta olmak üzere hücre biyolojisindeki uygulamalara odaklanıyoruz.Laboratuvarın odak noktalarından biri, geleneksel hücre kültürü teknolojisinin sınırlamalarının üstesinden gelmeye çalışmaktır. Hücre biyologlarının hücreleri in vitro ortamda, bir Petri kabı içerisinde inceleme biçimine bakarsanız, hücrelerin homojen bir hücre kültürü ortamına batırıldığını ve aynı zamanda homojen bir yüzey üzerinde bulunduklarını hemen fark edersiniz. Ancak vücutta hücreler homojen bir yüzey üzerinde değildir.Hücreler homojen bir ortamda yıkanmazlar. Aslında, genellikle gradyanlar şeklinde olan, uzayda ve zamanda değişen çeşitli sinyallere maruz kalırlar ve jel tipi bir matriksle çevrilidirler. Ayrıca hücreleri bir Petri kabında incelediğinizde bazı pratik kısıtlamalar vardır; büyük ve pahalı bir ekipman olan bir inkübatöre ihtiyaç duyarsınız.Genellikle biyologlar, çok sayıda farklı koşulu incelemek isterler. Örneğin, hücreleri hücre kültürü A ve hücre kültürü B içerisinde çalışmak isteyebilirler. Hücrelerin bu bileşiklere verdiği yanıtlarda büyük bir değişkenlik vardır. Bu nedenle biyologlar genellikle hücreleri farklı petri kaplarına yerleştirirler ve bunu muhtemelen üç paralel örnek şeklinde yaparlar; ardından bir dizi koşulu incelerler, böylece sonuçta çok miktarda hücre kültürü ortamı, çok sayıda sarf malzemesi ve çok sayıda kap kullanmış olurlar ki bu da oldukça fazla yer kaplar.Bu nedenle bunu minyatürleştirmeye çalışıyoruz ve bu işin bir yönü. Ayrıca, hücreleri yerleştirmek ve hücre kültürü ortamını değiştirmek çok fazla pipetleme gerektiriyor. Bu durum, harcanan zaman ve görev alan personel açısından oldukça maliyetli olduğu gibi, Petri kabına eklenen ve kabından çıkarılan sıvı miktarını da artırıyor.Bir diğer kısıtlama ise, tüm yüzeyleri hücrelerle doldurmak için çok sayıda hücre kullanmanız gerekmesidir ve bu durum genellikle çok sayıda hayvanın feda edilmesini gerektirir. Ayrıca, sadece sayıların büyüklüğü nedeniyle maliyetli olabilir. Sonuç olarak, geleneksel teknikler yüksek maliyetlere yol açmaktadır.Bunlar, hem herhangi bir deneyi gerçekleştirmek için gereken zaman ve personel açısından hem de pratikteki verimler bakımından oldukça maliyetlidir; biyologlar sonunda yüzey sayısından veya incelenen koşullardan ödün vermek zorunda kalırlar. Bu durum, istatistiksel olarak oldukça zayıf verilerle çalışılmasına yol açar. Tipik bir biyolojik çalışmadaki sonuçlar, mühendislik standartlarına göre oldukça kalitatif düzeydedir ve sonuç olarak tüm bu çalışmalar ölçeklendirilebilir olmaktan uzaktır.Bu durum, insanların çok sayıda koşulu ve birçok değişkeni incelemek istediği, çok sayıda hücre ve koşulun incelenmesiyle ortaya çıkarılabilecek yeni değişkenleri ve yeni hücresel fenomenleri keşfetmeyi amaçladığı günümüz genom çağında büyük bir sorun haline gelmeye başladı. Bu nedenle, mikro imalat teknikleri bize farklı nedenlerle kullandığımız çeşitli avantajlar sunmaktadır. İlk olarak temel bir bakış açısıyla, mikroelektronikte transistörlerin daha küçük oldukları için daha iyi çalışmasıyla aynı şekilde avantajlar söz konusudur.Burada ayrıca, incelenen nesnelerin, yani hücrelerin boyutlarıyla aynı ölçekte erişim sağlayan cihazlar inşa ediyoruz. Mikro üretim teknolojisi bu kısıtlamaların üstesinden tek bir şekilde değil, birçok açıdan gelebilmektedir; örneğin, çok sayıda tekil hücreyi incelemenize olanak tanır.Bu sayede anında çok kantitatif sonuçlar elde edersiniz. Ayrıca, düşük maliyetli deneyler yapmanıza olanak tanır. Ayrıca, tek bir cihaz fiyatına birçok cihaz üretebileceğiniz anlamda, bu sistemlerin imalatı oldukça ucuzdur.Ayrıca, kolay oldukları için işletim maliyetleri düşüktür ve otomasyona oldukça uygundurlar. Düşük üretim maliyeti ve düşük işletim maliyeti şeklindeki bu avantajlar, ticari uygulamaların çok başarılı sonuçlanmasını sağlamaktadır. Son olarak, bu sistemler kantitatif tasarıma da oldukça uygundur.Bu durum oldukça önemlidir; çünkü bu sayede, örneğin mikroakışkan bir cihazın davranışını veya bir yüzeyin üretimini modelleyebilir ve tam olarak nasıl çalışacağını bilebiliriz. Ardından geri döneriz; bu işlem modelleme ile yapılır. Henüz laboratuvara gitmeyiz.Her şey teoride çalıştıktan sonra laboratuvara gidip bunu uygularız ve böylece uygulamada büyük ölçüde zaman kazanırız. Laboratuvarımızda kullandığımız temel teknolojilerden biri, doksanların başından beri Harvard'da George Whiteside tarafından geliştirilen bir kardeş teknikler ailesi olan yumuşak litografi olarak adlandırılır. Bu teknikler, Polimetilsiloksan veya PDMS adı verilen şeffaf bir elastomer malzemenin kalıplanması ve replikasyonuna dayanır; biyologlar bunu Dow Corning tarafından üretilen marka adıyla Sylgard 184 olarak bilirler.Ve bu temelde şeffaf bir kauçuktur, bir cihazdır. Onu bükebilirsiniz ve dediğim gibi kalıplanabilir; aynı kalıptan tekrar tekrar üretilebilir; burada maliyetli olan kısım kalıbın üretimidir. Fakat malzemeyi kova ile satın alıyoruz.Biliyorsunuz, çok pahalı değil. Ayrıca biyouyumluluğu çok yüksek. Üzerine hücre ekimi bile yapabilirsiniz.İmplantlarda kullanılır. Diğer bir büyük avantajı ise şeffaf olmasıdır ve bu durum, biyolojik çalışmalarda çok önemli bir analiz yöntemi olduğunu bildiğiniz üzere biyolojik mikroskopi için oldukça kritiktir. Laboratuvar videolarında görebileceğiniz üzere, kalıplama prosedürü oldukça kolay ve yalındır.Sadece iki bileşenin karıştırılmasını içeriyor. Ve biliyorsunuz, bunu herkes yapabilir. Tıpkı yemek pişirip fırına vermek gibidir.Hatta dört yaşındaki oğlum bile laboratuvara gelip gerçekten kauçuk yaptı. Yani bu gerçekten çok basit. Mikroakışkanlar, sıvıların davranışlarının incelenmesidir.Bildiğiniz gibi, küçük kanallarda suyun altına bir taş atamazsınız. Bunun sebebi, taş ile su arasındaki sürtünme kuvvetlerinin, ona uyguladığınız kuvvetle kıyaslandığında çok büyük olmasıdır. Benzer bir durum, durumun tam tersi olduğu küçük kanallarda da meydana gelir.Burada hareket eden nesne sudur ve mikrokanallardaki yüksek yüzey-hacim oranı nedeniyle etrafındaki duvarlar üzerinde çok fazla sürtünme yaratır; mikrokanallarda duvarların etkisi çok güçlüdür. Bu nedenle, bu atalet kuvvetleri, viskoz kuvvetlere ve duvarların neden olduğu sürtünmeye kıyasla çok küçüktür. Viskoz kuvvetler baskın olduğu için mikrokanallarda asla türbülans oluşmaz; bu nedenle, akışkanın tabakalar halinde aktığı, laminer akış olarak bilinen bir akış rejimine sahibiz.Farklı akışların yan yana aktıkları için karışamadığı bir örnek burada gösterilmiştir. Bir fincan kahveyi karıştırdığınızda olduğu gibi, karışımı hızlandıran bir türbülans yoktur. Viskoz kuvvetler baskın olduğu ve mikrokanalda türbülans oluşturmak çok zor olduğu için, tek bir kanalda birleşen iki akış karışmayacak, dolayısıyla yalnızca difüzyon yoluyla çok yavaş bir şekilde karışacaktır.Şimdi, bir hücre popülasyonunun farklı kısımlarını ve hatta tek bir hücreyi farklı sıvılara maruz bırakmak için bu özellikten yararlanıyoruz. Bunu yapmamızın nedeni, in vivo durumun bu şekilde gerçekleşmesidir. Organizma içinde hücreler, maddelerin gradyanlarına ve çoğu zaman çok kısa süreliğine maruz kalırlar.Sıvıların davranışlarını, hatta sıvı akışındaki farklı maddelerin difüzyonunu tam olarak modelleyebildiğimiz için, hücrenin hangi konsantrasyona maruz kaldığını ve hücrenin hangi kısmının hangi konsantrasyonla karşılaştığını biliyoruz. Bu durum, hücrelerin belirli bir maddeye maruz kalması üzerine oldukça kantitatif çalışmalar yapmamıza olanak tanır. Laminer akışın hücreleri incelemek için nasıl kullanılabileceğine dair bir örnek olarak, laboratuvarda aslında bir kas hücresini, bir nöron tarafından uyarıldığını düşündürecek şekilde yönlendirdiğimiz bir projemiz var.Gelişim sırasında gerçekleşen olay, sinirin belli bir noktada kasla buluşması ve sinapsın oluşumunda rol oynayan agrin adı verilen maddeyi salgılamasıdır. Dolayısıyla yaptığımız işlem aslında kavramsal olarak çok basittir. Kas hücrelerini bir cihaza yerleştiriyoruz ve bunları, akışın sadece orta kısmında agrin içeren bir akıma maruz bırakıyoruz.Bu sayede, cihazın sinir olduğu ve cihaz içindeki kas hücrelerinin gelişim sürecindeki gerçek kaslar olduğu varsayımını kurabiliyoruz. Mikroakışkanların çok güçlü olduğu bir başka örnek ise akson kılavuzluğunun incelenmesidir. Buradaki temel fikir, sıvıların küçük hacimlerde nasıl difüze olduğunu çok iyi öngörebiliyor oluşumuzu kullanarak madde gradyanları oluşturmaktır.Ve gelişim sırasında gradyanlar, sinir hücrelerinin hedeflerini nasıl bulduğundan kısmen sorumludur. Bu nedenle, bunu bir Petri kabı içinde, bir mikrokanal içerisinde yeniden üretmeye çalışıyoruz; koku alma duyusu büyüleyici bir sensör sistemidir.Farelerin burunlarındaki nöronların her biri, yalnızca tek bir tip koku reseptörü eksprese eder. Farelerde yaklaşık bin farklı koku reseptörü geni bulunur. Her bir reseptör, bir dizi koku maddesine bağlanır ve her bir koku maddesi de birkaç farklı reseptöre bağlanır.Koku algılama biçimimizin kombinatoryal bir yöntem olduğunu düşünmemizin nedeni, geleneksel fraksiyon araştırmalarında çok sayıda koku maddesi ile belirli bir reseptör veya herhangi bir koku maddesi ile çok sayıda reseptör arasında eşleşmeler bulmanın zor olmasıdır. Bunun sebebi, herhangi bir nöronu veya koku duyusuna ait nöronu geniş bir koku maddesi yelpazesine maruz bırakmanın ve aynı şekilde, belirli bir koku maddesini olfaktör epiteldeki tüm nöronlara maruz bırakmanın çok zor olmasıdır. Bu nedenle bizim yaklaşımımız, olfaktör epiteli alıp tekil hücrelere ayrıştırarak bunları her mikro kuyucuğa bir hücre gelecek şekilde geniş bir mikro-kuyucuk dizisi içeren bir mikro-dizide konumlandırmak olmuştur.Kalsiyum görüntüleme ile görüntülediğimiz ve bu geniş nöron kitlesinin koku maddelerine ve koku gruplarına karşı aktivasyon modellerini incelediğimiz bir görüş alanında genellikle on binlerce nöron bulunur. Bu durum, seçtiğimiz herhangi bir koku için tüm olfaktör reseptör alanına baktığımızdan emin olmamızı sağlar. Bu dizide en az bir veya birkaç reseptörün temsil edildiğini biliriz.Bu sayede, örneğin, muz kokusunu alan hücrelerin kaçının aynı zamanda limon kokusunu da aldığını bildiğimiz sorular sorabiliriz. Bu mikroakışkan ve mikro desenleme teknikleri aslında oldukça basit olup, hücre biyolojisi tarafından daha yaygın olarak benimsenmemesinin nedeninin, mühendisler ve biyologlar arasındaki kültürel fark olduğu kanaatindeyim. Biyologlar genellikle yeni teknolojiye karşı mesafeli, hatta bazen dirençliyken; mühendisler ise genellikle hücre biyolojisi veya genel olarak biyoloji konusunda çok yetkin değillerdir.İnanıyorum ki yakın gelecekte göreceğimiz şey, benim gibi birinin kapısını çalmaya ihtiyaç duymayan biyologlar olacaktır. Basit bir cihaz tasarlayabilecekler ve bu tasarımı alu foundry gibi bir dökümhaneye götürecekler; ardından cihaz bir veya iki gün içinde FedEx ile kendilerine geri gönderilecek ve deneyi kendi başlarına uygulamaları çok kolay olacaktır.

BioMEMS ve Hücresel Biyoloji: Perspektifler ve Uygulamalar

Bu makalede

Özet

Yeniden basım ve izinler

Etiketler