Applicando Microfluidica di Elettrofisiologia

Mi chiamo Dave Edington. Sono professore assistente presso il Dipartimento di Bioingegneria dell'Università dell'Illinois a Chicago. L'ambito su cui lavoriamo principalmente consiste nell'applicare le microtecnologie a impieghi biomedici, in particolare utilizzando dispositivi microfluidici.

Oggi vi mostreremo uno dei nostri progetti, che prevede l'uso di un dispositivo microfluidico adattato a una camera di perfusione standard per sezioni cerebrali, al fine di fornire una stimolazione spaziotemporale di una fetta di tessuto cerebrale. Attualmente, nelle preparazioni di elettrofisiologia su sezioni, le principali modalità di applicazione dei neurotrasmettitori su una sezione consistono nell'applicazione globale su tutta l'intera fetta cerebrale — ossia stimolando l'intera sezione cerebrale contemporaneamente — oppure nell'uso di una micropipetta per erogare neurotrasmettitori in diversi momenti temporali.

La sezione cerebrale è una struttura molto complessa e, quando si applicano globalmente neurotrasmettitori o si utilizza una micropipetta, non è possibile riprodurre i modelli di stimolazione in vivo. Al contrario, con la nostra piattaforma siamo in grado di controllare la stimolazione in regioni molto specifiche della sezione cerebrale e ottenere una stimolazione più simile a quella in vivo. I sistemi di perfusione attuali sono mostrati qui, nei quali si agganciano a un vetrino coprioggetto standard.

E questi permettono che il mezzo venga perfuso attraverso l'intera sezione. Tuttavia, non è possibile controllare spazialmente la risoluzione di quel neurotrasmettitore con il quale si utilizza il dispositivo stimolante. Per questo motivo abbiamo sviluppato un dispositivo micro flic che si aggancia a questa camera di perfusione standard.

Pertanto, possono essere utilizzati tutti i comuni saggi di elettrofisiologia. L'unica differenza consiste nel fatto che, invece di un fondo in vetro coprivetro, questo dispositivo è costituito da un sistema A-P-D-M-S che presenta diversi fori passanti collegati a canali microfluidici, i quali a loro volta si collegano a aperture nella camera superiore di perfusione; in questo modo possiamo stimolare i neurotrasmettitori attraverso questi fori, lungo i canali, attraverso i vias e nel tessuto della fetta cerebrale. Utilizziamo una tecnica chiamata pompaggio passivo per somministrare i fluidi.

Quindi non abbiamo bisogno di tubi complessi che fuoriescano da questo dispositivo, poiché l'elettrofisiologia è già una procedura molto complessa. Semplificando il design del dispositivo e utilizzando una pompa passiva, rendiamo più semplice il protocollo sperimentale di applicazione di questo dispositivo microfluidico. La struttura del dispositivo è una rete microfluidica a due strati.

Il primo strato è costituito dai canali di instradamento che si collegano ai porti di uscita, e il secondo strato è composto da questi fori passanti che collegano tali canali alla pozzetta. La fabbricazione avviene mediante procedure standard di microfabbricazione U a due strati, in cui sono presenti alcuni segni di allineamento che garantiscono che questi vias siano posizionati esattamente al centro di questi quattro canali. Questo dispositivo è progettato per essere agganciato alla camera di perfusione standard, in modo da poter utilizzare tutti gli stessi saggi di elettrofisiologia.

Quindi possiamo posizionare questo sistema su un apparato di elettrofisiologia, far entrare l'obiettivo, fornire stimolazione locale attraverso i nostri canali microfluidici, evitando di complicare inutilmente il setup sperimentale più del necessario. Mantenendo il design del dispositivo il più semplice possibile, possiamo diffondere questa piattaforma in modo molto più agevole. Attualmente la nostra struttura presenta questi quattro V al centro dei canali microfluidici, ma questi possono essere adattati in base alle esigenze di laboratori diversi, a seconda della regione cerebrale che stanno studiando.

Quindi una regione potrebbe studiare l'ippocampo e un'altra potrebbe studiare la corteccia esterna. In questo modo, possiamo stimolare tali regioni a seconda di come progettiamo questo dispositivo microfluidico. E poiché il dispositivo non richiede componenti esterni per funzionare, tutto ciò di cui si ha bisogno è una micropipetta per prelevare e dispensare nei fori utilizzando la tecnica di pompaggio passivo.

Non è necessario alcun equipaggiamento aggiuntivo rispetto a questo substrato di base che il laboratorio standard di elettrofisiologia debba acquisire per utilizzare questo dispositivo. Finora nel progetto ci siamo concentrati sul posizionamento dei canali microfluidici all'interno delle camere di perfusione standard. Ora la fase successiva del progetto consiste nel testare effettivamente questo dispositivo in ricerche basate su ipotesi specifiche, utilizzando questi preparati di tessuto in sezioni.

E così abbiamo dimostrato che, utilizzando un colorante fluorescente, possiamo stimolare in modo spaziale diverse regioni iniettando questi analoghi fluorescenti nei canali. E il passo successivo consiste nell'eseguire effettivamente esperimenti biologici veri e propri. Pertanto, il campo della microfluidica sta raggiungendo un punto di transizione.

Stiamo andando oltre le dimostrazioni iniziali di prova di concetto e utilizzando davvero questi dispositivi per scoprire cose nuove ed emozionanti che in precedenza erano impossibili da realizzare. Pertanto, il campo sta evolvendo da tecniche basate su principi disponibili a livello microscopico, come la rapida diffusione, il flusso laminare e i grandi rapporti superficie-volume, nonché l'integrazione dei processi. Ora utilizzeremo questi principi per risolvere esigenze insoddisfatte nel laboratorio e nella clinica.