BioMEMS ve Hücresel Biyoloji: Perspektifler ve Uygulamalar

Adım Albert Falk. Seattle'daki Washington Üniversitesi'nde profesörüm ve biyomedikal mikro elektromekanik sistemler anlamına gelen geniş biyom alanı üzerinde çalışıyorum. Mikroakışkanlar üzerinde çalışıyoruz ve hücre biyolojisindeki uygulamalara, özellikle de sinirbilime odaklanıyoruz.

Laboratuvarın odak noktalarından biri, geleneksel hücre kültürü teknolojisinin sınırlamalarının üstesinden gelmeye çalışmaktır. Hücre biyologlarının hücreleri bir Petri kabında in vitro olarak çalışma şekline bakarsanız, hücrelerin homojen bir hücre kültürü ortamında yıkandığını ve aynı zamanda homojen bir yüzey üzerinde oturduklarını hemen fark edeceksiniz. Bununla birlikte, vücutta hücreler homojen bir yüzeyde değildir.

Homojen bir ortamda yıkanmazlar. Aslında uzay ve zamanda değişen, genellikle gradyan şeklinde olan çeşitli sinyallere maruz kalırlar ve bir jel tipi matris ile çevrilidirler. Bir Petri kabındaki hücreleri incelerken bazı pratik sınırlamalar da vardır, büyük ve pahalı bir ekipman parçası olan bir kuluçka makinesine ihtiyacınız vardır.

Tipik olarak, biyologlar bir dizi farklı durumu incelemek isterler. Diyelim ki A hücre kültürü ve B hücre kültüründeki hücreleri incelemek istiyorlar. Hücrelerin bu bileşiklere nasıl tepki verdiği konusunda çok fazla değişkenlik var. Tipik olarak biyologlar hücreleri farklı petri kaplarına koyarlar ve onlar, belki de bunu üç nüsha halinde yaparlar ve sonra bir dizi koşulu incelerler, böylece çok fazla hücre kültürü, ortam, çok fazla malzeme, çok fazla yemek kullanırlar ve bu çok fazla yer kaplar.

Biz de bunu minyatürleştirmeye çalışıyoruz ve bu da işin bir yönü. Ayrıca, bunun değiş tokuşu ve hücrelerin yerleştirilmesi ve hücre kültürü ortamının değiştirilmesi, çok fazla pipetleme gerektirir. Bu, içerdiği zaman ve personel miktarı açısından çok pahalıdır ve ayrıca Petri kabının içine ve dışına yerleştirilmesi gereken sıvı miktarı açısından da pahalıdır.

Diğer bir sınırlama ise, tüm yüzeyleri hücrelerle doldurmak için çok sayıda hücre kullanmanız gerektiğidir ve bu da genellikle çok sayıda hayvanı feda etmeyi gerektirir. Ve aynı zamanda olabilir, sadece nu sırf sayılar nedeniyle pahalı olabilir. Sonuç olarak, geleneksel teknikler çok paraya mal oluyor.

Hem zaman hem de herhangi bir deneyi uygulamak için gereken personel açısından çok pahalıdırlar ve aynı zamanda uygulamadaki verimler, biyologlar var olan yüzey sayısından veya çalışılan koşullardan ödün verirler. Ve böylece istatistiksel olarak çok zayıf verilerle ilgilenir. Tipik bir biyolojik çalışmadaki sonuçlar, mühendislik standartlarına göre çok kalitatiftir ve bu nedenle, tüm bu çalışmaların ölçeklenebilir olmadığı sonucuna varılır.

Yani, bu şimdi büyük bir sorun haline geliyor, genom alanı çağıyla, insanlar çok sayıda koşulu, birçok değişkeni incelemek ve yeni değişkenler bulmak için, sadece çok sayıda hücre ve koşulu inceleyerek ortaya çıkarılabilecek yeni hücre fenomeni bulmak istiyorlar. Dolayısıyla mikro üretim teknikleri bize farklı nedenlerle yararlandığımız çeşitli avantajlar sağlar. İlk olarak, temel bir bakış açısından, mikroelektronikte olduğu gibi transistörler en iyi şekilde çalışır, daha küçük oldukları için daha iyi çalışırlar.

Burada da, incelenen nesnenin sırasına göre ölçeklere erişen, hücreler olan cihazlar yapıyoruz. Mikro fabrikasyon teknolojisi, bu sınırlamaların üstesinden tek bir şekilde değil, bir defaya mahsus olmak üzere birçok yönden gelebilir. Tek hücreleri çok büyük sayılarda araştırmanıza izin verir.

Bu da size hemen çok nicel sonuçlar verir. Ayrıca, ucuz deneyler yapmanızı sağlar. Ayrıca, bu sistemlerin üretilmesi çok ucuzdur, çünkü bir cihaz fiyatına birçok cihaz yapabilirsiniz.

Ayrıca, kolay oldukları için işletmeleri ucuzdur, otomasyona çok uygundurlar. Daha sonra bunlar, düşük imalat maliyeti ve düşük işletme maliyeti gibi avantajlar, çok başarılı bir ticari, ticari uygulamalarla sonuçlanır. Ve son olarak, ayrıca, bunlar çok, bu sistemler kantitatif tasarıma çok uygundur.

Bu çok önemlidir, çünkü bu şekilde, diyelim ki bir mikroakışkan cihazın davranışını modelleyebilir veya bir yüzeyin fabrikasyonunu yapabilir ve tam olarak nasıl çalışacağını bilebiliriz. Ve sonra geri dönüyoruz, biz, bu modelleme ile yapılır. Henüz laboratuvara gitmiyoruz.

Ve sonra her şey teoride çalıştıktan sonra, sonra gidip laboratuvara gidiyoruz ve uyguluyoruz ve bunu yaparken çok zaman kazanıyoruz. Laboratuvarımızda kullandığımız ana teknolojilerden biri yumuşak litografi olarak adlandırılıyor ve bu aile teknikleri, doksanların başından beri Harvard'da George Whiteside tarafından geliştirilen kardeş teknikler. Ve bunlar, bir malzemenin, Polimetil Sloane adı verilen şeffaf bir elastomerin veya PDMS biyologlarının bunu do Corning tarafından üretilen S Guard 180 4 marka adıyla bildiği bir malzemenin kopyalanmasına ve kalıplanmasına dayanıyor.

Ve aslında şeffaf olan kauçuk bir cihazdır. Onu bükebilirsiniz ve dediğim gibi, kalıplanabilir, aynı kalıptan tekrar tekrar içeri girebilir ve üretilmesi pahalı olan kalıptır. Ve, ama malzemeyi, kova ile satın alıyoruz.

Bu, bu, bilirsiniz, çok pahalı değil. Sonra da çok biyouyumludur. Bu, üzerine hücreler bile ekebilirsiniz.

İmplantlarda kullanılır. Ve bir diğer büyük avantajı da şeffaf olması ve bu çok, çok önemli, biyolojik mikroskopi için, bildiğiniz gibi, biyolojik çalışmalarda çok önemli bir analiz yöntemidir. Ve bu, kalıplama prosedürü, laboratuvardaki videolarda görebileceğiniz gibi, çok, çok kolay, çok basit.

Sadece iki bileşenin karıştırılmasını içerir. Ve biliyorsunuz, bunu herkes yapabilir. Tıpkı yemek pişirip fırına koymak gibi.

Dört yaşındaki oğlum bile laboratuvara geldi ve aslında lastik yaptı. Ve bu yüzden gerçekten basit. Mikroakışkanlar, sıvıların davranışının incelenmesidir.

İçeride, küçük kanallarda, bildiğiniz gibi, suyun altına taş atamazsınız. Çünkü siz, taş ile su arasındaki kuvvetler, sürtünme kuvvetleri, ona uyguladığınız kuvvete kıyasla çok büyüktür. Biraz benzer bir şey, durumun tersine döndüğü küçük bir kanalda küçük bir kanalda olur.

Su, hareket eden nesne ve etrafındaki duvarlar, mikro kanallardaki yüksek yüzey / hacim oranı nedeniyle üzerlerine çok fazla sürtünme verir, duvarların çok güçlü bir etkisi vardır. Ve böylece bu atalet kuvvetleri, viskoz kuvvetlere ve duvarların neden olduğu sürtünmeye kıyasla çok küçüktür. Viskoz kuvvetler baskın olduğu için, mikro kanallarda türbülans asla meydana gelmez, bu yüzden sahip olduğumuz şey, laminer akış olarak bilinen bir akış rejimidir çünkü sıvı tabakalar halinde akar.

Ve burada, farklı akarsuların yan yana aktıkları için karışamadığı bir örnek gösterilmektedir. Onlar, bir fincan kahveyi yönlendirdiğinizde olduğu gibi karışımı hızlandıran bir türbülans yok. Şimdi, viskoz kuvvetler baskın olduğundan ve mikrokanalda türbülans olması çok zor olduğundan, bu, bir kanalda birleşen iki akışın karışmayacağı, dolayısıyla sadece çok yavaş difüzyonla karışacağı anlamına gelir.

Şimdi, bir hücre popülasyonunun farklı kısımlarını veya hatta tek bir hücreyi farklı sıvılara maruz bırakmak için bu özellikten yararlanıyoruz. Ve bunu yapmamızın nedeni, in vivo olarak böyle olmasıdır. Organizmanın içinde, hücreler maddelerin gradyanlarına maruz kalır ve çoğu zaman çok geçici olarak maruz kalırlar.

Dolayısıyla, akışkan akışındaki farklı maddelerin difüzyonundaki sıvıların davranışlarını bile modelleyebileceğimizi tam olarak bildiğimiz için, hangi sabitin, hangi eksileri, hücrenin hangi konsantrasyona maruz kaldığını ve hücrenin hangi bölümünün hangi konsantrasyona maruz kaldığını biliyoruz. Bu, hücrelerin belirli bir maddeye maruz kalması üzerine çok nicel çalışmalar yapmamızı sağlar. Laminer akışın hücreleri incelemek için nasıl kullanılabileceğine bir örnek olarak, laboratuvarda bir projemiz var, aslında deniyoruz, burada bir kas hücresini çekerek bir nöron tarafından inmolasyon yapıldığını düşünüyoruz.

Gelişim sırasında, olan şey şu ki, sinir bir noktada kasa ulaşır ve sinapsın doğuşunda rol oynayan arin adı verilen maddeyi salgılar. Ve yaptığımız şey aslında kavramsal olarak çok basit bir şey. Kas hücrelerini bir cihaza koyuyoruz ve onu sadece akışın orta kısmında rin içeren bir akışa maruz bırakıyoruz.

Bu, cihazın sinir olduğunu ve cihazın içindeki kas hücrelerinin gelişim sırasındaki gerçek kas olduğunu iddia etmemizi sağlar. Mikroakışkanların çok güçlü olduğu bir başka örnek, akson rehberliği çalışmasıdır. Burada fikir, bildiğimiz gerçeği kullanmaktır, sıvının küçük hacimlerde nasıl yayıldığını çok iyi tahmin edebiliriz ve böylece maddelerin gradyanlarını üretebiliriz.

Ve gelişim sırasında, gradyanlar sorumludur, sinir hücrelerinin hedeflerini nasıl bulduğundan kısmen sorumludur. Biz de bunu bir Petri kabının içinde yeniden üretmeye çalışıyoruz. Bir mikrokanalın içinde, koku alma duyusu büyüleyici bir sensör sistemidir.

Burundaki nöronlar, diyelim ki farelerin her biri yalnızca bir tür koku alma reseptörü ifade eder. Farelerde m'de yaklaşık bin farklı koku alma reseptörü geni vardır. Ve her reseptör a'ya, bir dizi koku maddesine bağlanır ve her odin birkaç reseptöre bağlanır.

Ve kokuları tespit etme şeklimizin, kombinatoryal bir şekilde, geleneksel fraksiyon araştırması yoluyla olduğuna inanmamız için, çok sayıda koku verici ile belirli bir reseptör veya herhangi bir koku verici ve çok sayıda reseptör arasında eşleşmeler bulmak zordur. Ve bunun nedeni, herhangi bir nöronu veya faktör duyusal nöronunu bir dizi koku maddesine maruz bırakmanın çok zor olması ve bunun tersi, herhangi bir koku verici maddenin koku alma epitelinde tüm nöronları açığa çıkarmanın çok zor olmasıdır. Bu yüzden yaklaşımımız, koku alma epitelini almak ve onu tek hücrelere ayırmak ve bunları, mikro başına bir hücre olmak üzere, büyük bir mikro dizi mikro kuyucuktaki bir diziye koymak oldu.

Ve bir görüş alanında, tipik olarak kalsiyum görüntüleme ile görüntülediğimiz on binlerce nörona sahibiz ve bu nöronların aktivasyon modellerine bakıyoruz, bu büyük miktarda nöronun koku vericilere ve od gruplarına dönüşme şekillerine bakıyoruz. Ve bu, seçtiğimiz herhangi bir koku için tüm koku alma reseptör alanına baktığımızdan emin olmamızı sağlar. Biliyorsunuz, bu dizide temsil edilen en az bir veya birkaç reseptör var.

Ve bu şekilde, örneğin muz koklayan hücrelerin kaçının aynı zamanda limon kokladığı gibi sorular sorabileceğimizi biliyoruz. Bu mikroakışkan ve mikro modelleme teknikleri aslında oldukça basittir ve hücre biyolojisi tarafından daha yaygın olarak benimsenmemelerinin nedeninin, mühendisler ve biyologlar arasındaki kültürel bir farklılık olduğuna inanıyorum. Biyologlar, yeni teknolojiye alerjisi olmasa da genellikle biraz isteksizdir ve mühendisler genellikle hücre biyolojisi veya genel olarak biyoloji konusunda çok yetkin değildir.

Ve inanıyorum ki yakın gelecekte göreceğimiz şey, benim gibi birinin kapısını çalmak zorunda kalmayacak olan biyologlar olacak. Basit bir cihaz tasarlayabilecekler ve tasarımı alu dökümhane gibi bir dökümhaneye götürebilecekler ve bir veya iki gün içinde cihazı FedEx'e geri alacaklar ve deneyi kendilerinin uygulaması çok kolay olacak.