Teşhis Araçları Geliştirmek İçin Mikro-Elektro-Mekanik Sistemler (MEMS)

Ben U De Mercy, Tıp Laboratuvarlarında Bio Stick MAM'ların baş araştırmacısıyım. Doktoramı Stanford Üniversitesi'nde elektrik mühendisliği alanında yaptım. MGH'deki Harvard Tıp Okulu'nda biyoakustik MAM'lar veya çoğunlukla biyo MA'lar üzerinde çalışan bir doktora sonrası yaptım.

Ve şimdi Harvard Tıp Fakültesi'nde, MIT Sağlık Bilimleri ve Teknolojisi'nde öğretim üyesi olarak devam ediyorum. Ve çok keyif aldığım araştırmalarıma devam ediyorum. Doktoram sırasında yaptığım çalışma, damlacıklarla ve hassas boyutta damlacıklar oluşturmak ve çok hassas polimerleri biriktirmek için konumlarını ve konumlarını kontrol etmek için akustiği kullanmakla çok ilgiliydi.

Şimdi, hücreleri damlacıklar halinde kapsüllemek için benzer teknolojiler uyguluyoruz ve daha sonra doku mühendisliğindeki çeşitli uygulamalar için bunları yüzeylere yerleştiriyoruz. Ayrıca, birkaç hücreyi veya tek bir hücreyi veya aynı popülasyondan kapsülleyebileceğinizi görmek istediğiniz uygulamalar var ve aynı popülasyon arasındaki farkları bir hücreden diğerine görmek için, hücreleri saniyede 10.000 hücre gibi yüksek verim oranlarında damlacıklar halinde kapsülleyebilmek çok önemli ve biyolojik sorunları anlamak için çok faydalı hale geliyor. Bu yüzden araştırmamın şu anda iki ayağı olduğunu söyleyebilirim.

Birincisi, az önce bahsettiğim hücre kapsülleme çalışması. Bir hücreyi bir damlacıkta nasıl paketleyebiliriz ve bunu tekrar tekrar, güvenilir bir şekilde ve hücrelere zarar vermeden nasıl yapabiliriz? Bu nedenle, hücre damlacık içinde dışarı atıldıktan veya kapsüllendikten sonra, hücrenin işlevsel, canlı ve yaşayabilir olması gereken bir yüzeye tam olarak yerleştirilebilmeliyiz.

Ejeksiyon ve benzeri etkilerden zarar görmemelidir. Şu anda akustik damla odaklı dalgalar kullanarak açık havuzlardan bu damlacıkları ürettiğimiz bir sistemimiz var, burada hücre boyutuyla karşılaştırılabilir gerçekten küçük damlacıklar halinde tek hücrelere kadar kapsülleyebiliyoruz. Bunu hücre baskısı ve doku mühendisliğine uygulamak açısından çok heyecan verici.

Araştırmamın diğer tarafı, düşük maliyetli teşhis araçları geliştirmek için yine bu MAM'ların mikro elektromekanik sistem teknolojilerini kullanmaktır. Çoğunlukla bu araştırma, tam kanı, çok küçük hacimlerde, örneğin bir parmak deliğinden alınan kanı, bir çipe ekleyebileceğiniz 10 mikrolitreden daha azını tanıtabileceğimiz mikroakışkan yaklaşımlar kullanır. Ve bu kandan kapsülleyebiliriz veya tam kandan belirli alt hücre popülasyonlarını yakalayabiliriz.

Bu neden önemli? Afrika'daki bir dağın tepesinde, örneğin bir HIV hastası için, bu hastanın kaç tane CD dört T lenfositi olduğunu söyleyebilmek istersiniz. Dünya Sağlık Örgütü, mikrolitrede 200 CD'nin altında dört hücrenin hastaları tedavi etmeye başlamanız gerektiğini söylediği için, gelişmiş dünyada, bu verileri elde edebilmek için yüz binlerce dolarlık dikey akış sitometreleri kullanırsınız.

Ve tabii ki bunları devasa masa büyüklüğündeki makineler gibi kullanabilmek için kullanmak ve beceri kazanmak zaman alıyor. Küçük çipimiz, bu küçük parmak tuğla 10 mikrolitre tam kanı tanıtabilir ve yüzey protein afinitelerini kullanarak CD'yi dört hücreye yakalar. Ve sonra yakalanan bu hücreleri hızlıca sayabilirsiniz çünkü biliyorsunuz ki çipin yüzeyinde CD dört proteine bağlı dört hücre var.

Akış hızlarını ve kesmeyi kontrol ederek, bu hücre tipleri için özgüllüğün ve verimliliğin optimize edildiğinden emin olabilirsiniz. Ve tabii ki her zaman spesifik olmayan bir bağlama vardır, ancak saf yaklaşımlarımızla bu etkileri en aza indiriyoruz ve artı eksi %10 arasında hata olduğundan emin oluyoruz, bu da Afrika'nın en üst dağında tanısal veya prognostik bir karar vermek için yeterli. Yani bunun küresel sağlık için ilginç uygulamaları var ve tek kullanımlık olan bu düşük maliyetli teknikler gelişmiş dünyayı etkileyebilir çünkü şimdi gerçekten düşük maliyetli olan bu hızlı kan testleri, gelişmiş dünyada kullandığımız testleri etkileyebilir.

Daha yüksek verimlilik ve özgüllük seviyelerine optimize edilirlerse, ki ilk verilerimiz öyle olabileceklerini gösteriyor, o zaman kesinlikle hayatımızı etkileyecektir. Doktoramı ilk bitirdiğimde, mikroakışkanlar hakkında daha fazla şey biliyordum ve MAM'larda görebildiğim her şeyden daha fazla, özellikle damlacık uygulamasıyla, hücreleri yazdırabilir ve hücreleri kapsülleyebilirsem veya birkaç hücreyi, tek hücreleri manipüle edebilirsem, biyoteknoloji alanında harika uygulamaları olacağını görebiliyordum. Ve insanların hayatlarını gerçekten etkileyecek şeyler üzerinde çalışmak çok ilgimi çekiyordu.

Eskiden bu teknolojileri yarı iletken endüstrisine uygulardım ama daha sonra doğrudan insanlara faydalı olmak istedim. İşte ben, beni sağlık alanındaki sorunlara yönlendiren şey buydu. Ve sonra bu yüzden büyük bir değişim yaptım ve bir hastaneye geldim, genel bir hastaneye, doktora sonrası için.

Ve orada, bilirsiniz, giderek daha fazla soruna maruz kaldım ve öyle görünüyor ki, bugün dünyanın en büyük sorunlarından biri küresel sağlık ve her gün binlerce insanı öldüren tüberküloz, HIV gibi hastalıklar ortaya çıkıyor. Ve bu insanlar ilaçlar olmadığı için değil, mevcut ilaçlardan çok daha pahalı olan yeterli teşhis araçları olmadığı için ölüyorlar. Bu yüzden işin teknoloji tarafını çok iyi biliyorum.

Biyolojik problemlere maruz kaldım ve onlar hakkında ne kadar çok şey öğrenirsem, bir etki yaratabileceğimi o kadar çok görebiliyordum. Ve her şey oradan böyle büyüdü. Ve hala devam ediyor.

Biyoteknolojiyi ve tıpta gördüğüm gibi, aslında doğrudan insanların hayatlarını kaybetmemize neden olan pek çok sorun var ve teknolojiler, bunun teknoloji yönü ve bunu gerçek dünyadaki tıbbi sorunlara uygulayabilmek harika, bence izlenecek bir yol. Bu, tüm bu biyoteknoloji alanının nasıl büyüdüğünü ve çok etkili hale geldiğini düşünüyorum. Düşünürseniz, HIV kanseri, bunlar dünyadaki en büyük katillerdir.

Ve mevcut mikro teknolojiler, mevcut yaklaşımlar belki de bu hücreleri kandan yakalayarak veya gerçekten ucuz hale getirerek kanserin erken teşhisinden faydalanabilir, bu da onu kitlelere ulaştıracaktır. Yani tüm bu şeyler bir araya geldiğinde, bence tüm bu mikroteknoloji uygulamaları, sağlık hizmetlerinde, tıpta, insanoğlunun geleceğini etkileyebilir. Sanırım tüm bu şeyler bir şekilde bir araya geliyor.

Ve Harvard MIT sağlık bilimleri ve teknolojisinde olmak, bir ucunda teknolojinin, diğer ucunda doğrudan yönünüzün olduğu, hastalara doğrudan erişimin, çalıştığım Brigham and Women's Hospital'daki doktorlara doğrudan erişimin olduğu harika bir ortam. çünkü konuştuğunuz her insanın kendi sorunları var ve belki de farklı bir geçmişten geliyor olabilirsiniz, Mevcut gerçek dünya sorunlarına ilginç çözümler sunmak. İşte bu, sanırım bu tıbbi sorunların teknoloji tarafıyla nasıl buluştuğuna dair tüm perspektifi nasıl gördüğüm.

Ve insanların hayatlarını olumlu yönde etkilemeye çalışıyoruz. Tek hücre başlığı kapsüllemede veya hücre kapsüllemede en büyük zorluk, tek hücreleri güvenilir ve tekrarlanabilir bir şekilde kapsülleyebilmektir. Yani saniyede 10.000 yüz bin hücre çıkarıyorsunuz.

Ve çıkardığınız her damlacığın tek bir hücreye sahip olduğundan nasıl emin olabilirsiniz? Damlacık boyutunu değiştirdiğiniz ve en aza indirdiğiniz, hücre boyutunu damlacık boyutuna göre optimize ettiğiniz bu istatistikler, eski bir hacimde küre paketleme sorununa girer ve bunu yapmanın en verimli yolu nedir. Teknolojik açıdan hücre baskısı alanındaki en büyük zorluk budur.

Bunun diğer yönü, artık bu hücreleri yazdırabilir ve tam olarak konumlandırabilirsiniz. Bu üç boyutlu dokuları nasıl oluşturabilir ve onları nasıl canlı tutabilir ve nasıl nakledebilirsiniz? Sorunların biyolojik sonu, şimdi tam olarak dokuyu taklit etmek istediğiniz yerde geliyor.

Bir kuşgözü, bir pankreas deliği basabilmek ve düz kas hücreleri, bir mesane dokusu kullanarak, doğrudan insan veya kırmızı mesanede olanı taklit ederek baskı yapabilmek için mevcut yaklaşımlarımız var, böylece bu dokuyu yapabilir ve gerçek dünyadaki mevcut doğal dokulara kıyasla ne kadar iyi performans gösterdiğini test edebiliriz. Sanırım en büyük zorluk bu, bu yeni teknolojileri kullanarak, bunu nasıl yerine konabilecek, nakledilebilecek ideal bir doku haline getirebilirsiniz, bu, bilirsiniz, en başından beri en büyük sorundur çünkü tek hücre üzerindeki kontrol size onları tam olarak bulma yeteneği verir. Ve sonra onu oradan nasıl büyütebilirsiniz?

Yani insan hayatının etkisinin geldiği yer nakledilebilir bir şey. İşte bu tarafta, güney kapsüllemedeki şeylerin doku mühendisliği tarafında ve mikroakışkanlar kullanarak teşhiste zorluklar ne olduğu, zorluk milyarlarca hücreden bir hücreyi yakalayabilmektir. Sanki bir tuz kutusunda bir şeker parçacığınız var ve bu şeker parçacığını çıkarmaya çalışıyorsunuz ve bu milyarda bir gibi.

Yani siz, mikrolitrelerce tam kanı mililitrelere işliyorsunuz ve tıkanma gibi herhangi bir teknolojik sorun veya spesifik olmayan bağlanma gibi herhangi bir biyolojik sorun olmadan spesifik ve verimli bir şekilde yapabilmek istiyorsunuz, bir mikrolitre tam kandaki milyarlarca hücreden bir hücreyi izole edebilmek istiyorsunuz, birkaç milyon hücreniz var. Ve bu bir mikrolitredeki CD dört T lenfosit durumu için, mikrolitre başına yaklaşık bin hücrenin peşindeyiz. Yani bu, binde bir hücrede bir tür problem gibi, bunun yapılabilir olduğunu gösterdik.

Ancak kanser için dolaşan tümör hücrelerinin peşinden gitmek istediğinizde, zorluk milyarda bir olur. Bazılarına göre, zorluk, etrafındaki milyarlarca hücre arasından bu tek bir hücreyi nasıl yakalayacağımızdır. Ve teknolojik yönleri nelerdir?

Akış hızları nelerdir? Cihaz tasarımı nedir? Ne, akış hızları nedir?

Ne, işlenmesi gereken kan hacimleri nelerdir ve yakaladığınız hücrelerin gerçekten yakalamak istediğiniz hücreler olduğundan nasıl emin olursunuz? Tüm bu yönler, tek bir cümleyle özetlenebilecek tüm zorluğu oluşturdu, bu da milyarlarca diğer hücreden bu nadir hücreyi nasıl yakalarsınız? Yani bu gerçekten samanlıkta iğne gibi bir problem, ki bu heyecan verici.

Ve bence bu, bu sorunları ele almak için teknolojileri ileriye taşıyor, mevcut teknolojik zorluk. Onları yapmaları gereken işi yapacakları bir seviyeye getirebilmek bir şeydir. Ve sonra onu kliniğe götürmek ve bir ürün haline getirmek, bir şirket kurabilmek, bu şeylerin patentini alabilmek ve diğer tüm yönler gibi tüm farklı uzmanlıklara sahiptir.

Ve bence biz bilim adamları öncelikle ürünleri masaüstünden ürünlere taşıyan tüm bu becerilere sahip değiliz. Böylece, farklı geçmişlere sahip insanlarla işbirliklerinin önemi bir kez daha ortaya çıkıyor. Ve çok etkili ve faydalı olabileceğini düşündüğüm birçok teknoloji var.

Bazen kliniğe ya da insanoğlunun kullanımına gitmiyorlar çünkü bu sadece olmadı, doğru zaman değildi ya da az önce bahsettiğim diğer etkiler ortaya çıktı. Ya da bazen, teknolojinin bu sorunu gerçekten çözebileceğini göremediğiniz doğrudan bir bağlantı yoktur. Ve bu problemle ilgilenen kişi, ya da diyelim ki biyologlar ya da tıptaki insanlar, uzun yıllar boyunca bunu tek bir şekilde yapmaya alışkınlar.

Ve teknoloji tarafındaki insanlar, çoğunlukla biyoteknoloji odağınız yoksa, tıptaki sorunların farkında değiller. Dolayısıyla bu iki tarafı bir araya getirmek ciddi bir disiplinler arası araştırmadır. Ve bence son yıllarda, hem NIH düzeyinde hem de araştırma laboratuvarlarında ve üniversitelerde gördüğümüz tüm vurgu, disiplinler arası araştırma üretmektir.

Böylece insanlar birden fazla alanı bilmek zorunda oldukları doktoraları alıyorlar. Örneğin, doktoram için akustiği bilmek zorundaydım, memleri bilmek zorundaydım, mikroakışkanları bilmek zorundaydım ve bunu polimerler için uygulamak zorundaydım. Yani şimdi, bu sorunu çözebilmek için aslında diğer üç alanı oldukça iyi bilmeniz gereken bir alanda çok derin bir bilgi derinliği görüyorsunuz.

Bu yüzden cevabın, insanların kullanımına sunmak için iş becerilerine sahip insanlarla birleştirilen disiplinler arası araştırmada olduğunu düşünüyorum, bu tamamen büyük bir süreç ve belirli yerlerde ortaya çıkan bazı verimsizlikler. Teknoloji transferinin bu kadar düşük bir yüzdesine neden olun.