Zweischichtiges mikrofluidisches Gerät für die kombinatorische Steckerproduktion
1. Dezember 2023
Die Herstellung einer auf Polydimethylsiloxan (PDMS) basierenden Doppelschichtbaurichtung zur Herstellung von kombinatorischen Bibliotheken in Wasser-in-Öl-Emulsionen (Plugs) wird hier vorgestellt. Die notwendige Hard- und Software, die zur Automatisierung der Steckerproduktion erforderlich ist, wird im Protokoll detailliert beschrieben, und die Herstellung einer quantitativen Bibliothek von Leuchtstoffsteckern wird ebenfalls demonstriert.
Wir in der Gruppe Systembiologie für Onkologie verwenden einen kombinierten rechnerischen und experimentellen Ansatz, um den komplizierten Mechanismus zu entschlüsseln, der die Mikroumgebung des Tumors formt. Wir verwenden mathematische Modelle, die auf klinischen Daten und der Krebsbiologie basieren, um Faktoren zu identifizieren, die das individuelle Ansprechen auf die Therapie beeinflussen, mit dem ultimativen Ziel, die Präzisionsonkologie zu verbessern. Angesichts der heterogenen und dynamischen Natur des Tumoransprechens auf die Therapie hat die Störungsbiologie das Potenzial gezeigt, die Einschränkungen genomischer Biomarker zu überwinden.
Unser Ansatz besteht darin, rezeptive Tumorzellen einem umfangreichen Krebsmedikamenten-Screening zu unterziehen, um phänotypische Eigenschaften von Tumoren zu identifizieren und so wirksamere Krebstherapien zu bestimmen. Die Mikrofluidik ist eine wertvolle Technologie, die bei der Analyse einer kleinen Probenmenge, wie z. B. einer Tumorbiopsie, hilft, indem sie in einzelne Kompartimente wie Tröpfchen oder Pfropfen verteilt wird. Es ermöglicht auch die Kontrolle über die Zusammensetzung jedes Pfropfens, wodurch mehrere Populationen chemisch unterschiedlicher Pfropfen entstehen.
Wir präsentieren hier ein vollständig PDMS-basiertes Gerät, bei dem der Flüssigkeitsfluss durch druckbetätigte Erdbebenventile reguliert wird, die eine schnelle, kontrollierte und programmierbare Produktion unterschiedlicher Pfropfenpopulationen ermöglichen. Da die Quake-Ventile auch PDMS-basiert sind, lassen sie sich zudem nahtlos in die Gerätefertigung integrieren. Die Kombination von Daten, die aus dem kombinatorischen Screening von Krebszellen im Augendurchsatz gewonnen wurden, mit mathematischen Modellen wird es uns ermöglichen, Signalwege zu untersuchen, die das Verhalten der Tumormikroumgebung regulieren.
Diese Forschung wird den Weg für neue Strategien für die Präzisionsonkologie ebnen und die Grundlage für die Personalisierung der Behandlung für den einzelnen Patienten liefern.
Übersicht
Dieser Artikel stellt die Herstellung eines auf PDMS basierenden zweischichtigen Geräts zur Erzeugung kombinatorischer Bibliotheken in Wasser-in-Öl-Emulsionen vor. Das Protokoll beschreibt die erforderliche Hardware und Software zur Automatisierung der Tropfenherstellung und demonstriert die Erzeugung einer quantitativen Bibliothek fluoreszierender Tropfen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Mikrofluidik
- Kombinatorische Screening-Methoden
- Krebisbiologie
Hintergrund
- Das Tumormikromilieu ist komplex und dynamisch.
- Die präzise Onkologie zielt darauf ab, die Behandlung anhand individueller Reaktionen zu personalisieren.
- Mikrofluidik ermöglicht die Analyse kleiner Proben, indem sie getrennte Kompartimente schafft.
- PDMS-Geräte ermöglichen eine kontrollierte Fluidströmung für eine effiziente Tropfenproduktion.
Zweck der Studie
- Entwicklung einer Vorrichtung zur Erzeugung unterschiedlicher Plug-Populationen für die Krebsforschung.
- Kombination experimenteller Daten mit mathematischen Modellen, um das Tumorgeschehen besser zu verstehen.
- Verbesserung von Strategien für die präzise Onkologie.
Verwendete Methoden
- Herstellung einer mikrofluidischen Vorrichtung auf PDMS-Basis.
- Verwendung druckgesteuerter Quake-Ventile zur Fluidregulierung.
- Automatisierte Tropfenproduktion durch Software-Steuerung.
- Erzeugung einer kombinatorischen Bibliothek fluoreszierender Tropfen.
Hauptergebnisse
- Es wurde erfolgreich eine quantitative Bibliothek von Plugs generiert.
- Das Gerät zeigte eine wirksame Regulierung des Fluidflusses.
- Die Integration mathematischer Modelle mit experimentellen Daten wurde erläutert.
- Mögliche Anwendungen in der präzisen Onkologie wurden diskutiert.
Schlussfolgerungen
- Das auf PDMS basierende Gerät ist ein wertvolles Werkzeug für die Krebsforschung.
- Es erleichtert die Herstellung chemisch unterschiedlicher Plug-Populationen.
- Dieser Ansatz könnte zu verbesserten Strategien für die Krebsbehandlung führen.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Mittels kombinatorischer Hochdurchsatz-Plug-Produktion unter Verwendung von zweischichtigen mikrofluidischen Vorrichtungen lässt sich die Wirkstoffantwort in begrenzten, patientenabgeleiteten Proben schnell und programmierbar screenen. Diese Technologie löst die Herausforderung, quantitative, chemisch unterschiedliche Reaktionskammern für das phänotypische Screening und die Signalweganalyse in der Onkologie zu erzeugen. Ihre Integration mit computergestützten Modellierungsverfahren unterstützt die Vorhersagegenauigkeit und die mechanistische Risikominimierung an kritischen Entscheidungspunkten der Wirkstoffentdeckung.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Ermöglicht systematische Störungen von Tumorzellen, um therapeutische Hypothesen zu überprüfen und Signalwege aufzuklären.
- Unterstützt die biologische Risikominimierung, indem vielfältige chemische Umgebungen zur funktionalen Zielvalidierung erzeugt werden.
- Erleichtert eine vorhersagbare Sicherheit bei der Zielstrukturauswahl durch quantitative, multiplexe Screening-Ergebnisse.
Screening und Assay-Entwicklung
- Bereitet validierte, miniaturisierte biologische Systeme für nachgeschaltete Hochdurchsatz-Screening-Workflows vor.
- Liefert standardisierte, reproduzierbare Plug-Populationen mit programmierbarer Zusammensetzung und Menge.
- Ermöglicht skalierbare, automatisierte Assay-Entwicklung zur zuverlässigen Wirkstoffbewertung und Bibliothekserweiterung.
Translationale und präklinische Forschung
- Kombiniert kombinatorische Screening-Verfahren mit krankheitsrelevanten Systemen unter Verwendung von Tumorbiopsien aus Patientenmaterial.
- Gewährleistet eine translationale Kontinuität von der Entdeckung bis zur präklinischen Validierung durch Integration experimenteller und computergestützter Daten.
- Ermöglicht eine mechanistische Entlastung von Risiken bei präzisionsonkologischen Strategien durch Abbildung phänotypischer Arzneimittelwirkungen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Diese mikrofluidische Plattform mit Doppelschicht eignet sich von der frühen Entdeckung über die Identifizierung von Leitsubstanzen bis hin zur präklinischen Forschung, insbesondere in auf Onkologie ausgerichteten Entwicklungsprozessen.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt Hypothesentests und die Aufklärung von Signalwegen, indem kontrollierte Störungsexperimente in Nanoliter-Kompartimenten ermöglicht werden.
- Screening: Erstellt assaysbereite, reproduzierbare Plug-Bibliotheken mit quantitativen Ausgaben für den vergleichenden Analysen.
- Analytik: Bietet inhaltsreiche, quantitative Messungen zur statistischen Gegenüberstellung von Arzneimittelwirkungen und Signalwegaktivitäten.
- Translationale Forschung: Verbindet Entdeckungs- und präklinische Phase, indem die direkte Verwendung von patientenstammenden Proben in kombinatorischen Screenings ermöglicht wird.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Bietet eine programmierbare, skalierbare Plattform, die an unterschiedliche Anforderungen im Bereich Screening und Assay-Entwicklung über verschiedene therapeutische Gebiete hinweg anpassbar ist.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Erhöht die Vorhersagegenauigkeit und verringert mechanistische Unschärfen bei der Validierung von Zielstrukturen und Signalwegen.
- Operativer Wert: Standardisiert und automatisiert die Herstellung von Plugs, um Reproduzierbarkeit und Skalierbarkeit in Screening-Arbeitsabläufen zu gewährleisten.
- Strategischer Wert: Verbessert die Qualität von Go/No-Go-Entscheidungen und die Kapitaleffizienz, indem robuste, multiplexe Datenerhebung ermöglicht wird.
- Portfolio-Wirkung: Unterstützt die risikoadjustierte Priorisierung und Weiterentwicklung von Kandidaten basierend auf quantitativen, phänotypischen Screening-Daten.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Herstellung mikrofluidischer Vorrichtungen und der druckgesteuerten Fluidik.
- Benötigt die Integration programmierbarer Hardware, Software und analytischer Infrastruktur für den automatisierten Betrieb.
- Erfordert die Standardisierung der Codierung der Plug-Zusammensetzung und des Datenmanagements über mehrere Teams hinweg.
- Anpassbar an verschiedene Modellsysteme, erfordert jedoch möglicherweise eine Optimierung für unterschiedliche Zelltypen oder Reagenzien.
- Die Betriebsdruckgrenzen und Ventilaktivierungsschwellen müssen für jede Anwendung validiert werden.
