Utilizzando Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) per sviluppare strumenti diagnostici

Sono U De Mercy, sono il ricercatore principale di Bio Stick MAMs presso i Medicine Labs. Ho conseguito il dottorato di ricerca presso la Stanford University in ingegneria elettrica. Ho svolto un post dottorato presso la Harvard Medical School al MGH, lavorando su MAMs bioacustici o principalmente su bio MAs.

Ora continuo la mia attività come docente presso la Harvard Medical School e presso il programma Harvard MIT Health Sciences and Technology. Proseguo inoltre con la mia ricerca, che mi appassiona molto. Il lavoro che ho svolto durante il mio dottorato era strettamente legato alle goccioline e all'uso dell'acustica per generare goccioline di dimensioni precise e controllarne la posizione e localizzazione al fine di depositare polimeri molto sensibili.

Ora applichiamo tecnologie simili per incapsulare cellule in goccioline e quindi posizionarle sulle superfici per diverse applicazioni nell'ingegneria tissutale, come la stampa di cellule sulle superfici per ottenere schemi cellulari. Inoltre, esistono applicazioni in cui è importante verificare la possibilità di incapsulare poche cellule o una singola cellula appartenenti alla stessa popolazione, al fine di osservare le differenze tra una cellula e l'altra all'interno della stessa popolazione; in questo contesto, la capacità di incapsulare cellule in goccioline con elevate velocità di throughput, dell'ordine di 10.000 cellule al secondo, risulta estremamente importante e utile per comprendere problemi biologici. Pertanto, direi che attualmente la mia ricerca si basa su due linee principali.

Uno è questo lavoro di incapsulamento cellulare di cui ho appena parlato. Come impacchettiamo una cellula in una goccia, e come possiamo farlo ripetutamente e in modo affidabile senza danneggiare le cellule? Dopo che la cellula è stata espulsa o incapsulata nella goccia, dovremmo essere in grado di posizionarla con precisione su una superficie, e la cellula dovrebbe essere funzionale, viva e vitale.

Non dovrebbe essere danneggiato dagli effetti dell'espulsione e simili. Attualmente disponiamo di un sistema in cui utilizziamo onde acustiche focalizzate per gocce per generare queste goccioline da pozze aperte, permettendo l'incapsulamento fino a singole cellule in goccioline molto piccole, paragonabili alla dimensione cellulare. Questo è molto promettente in termini di applicazione alla stampa cellulare e all'ingegneria tissutale.

L'altro aspetto della mia ricerca utilizza nuovamente le tecnologie microelettromeccaniche (MAMs) per sviluppare strumenti diagnostici a basso costo. Questa ricerca si basa principalmente su approcci microfluidici, che permettono di introdurre sangue intero in volumi molto ridotti, come quello ottenuto da una puntura al dito, inferiore a 10 microlitri, all'interno di un chip. Da tale sangue è possibile incapsulare oppure catturare determinate popolazioni subcellulari presenti nel sangue intero.

Perché è importante? Perché dovrebbe essere economico per le applicazioni sanitarie globali? In cima a una montagna in Africa, si desidera essere in grado di determinare, ad esempio per un paziente affetto da HIV, quanti linfociti T CD4 ha quel paziente. Perché l'Organizzazione Mondiale della Sanità raccomanda di iniziare il trattamento quando il numero di cellule CD4 scende sotto le 200 cellule per microlitro. Nel mondo sviluppato, si utilizzano citometri a flusso che costano centinaia di migliaia di dollari per ottenere questi dati.

E ovviamente occorre tempo e abilità per utilizzare questi macchinari di dimensioni pari a un tavolo. Il nostro piccolo chip può essere introdotto in questo piccolo blocco delle dimensioni di un dito con 10 microlitri di sangue intero e catturerà le cellule CD4 sfruttando l'affinità per le proteine di superficie. Successivamente, è possibile contare rapidamente le cellule catturate poiché si sa che si tratta di cellule CD4 legate ad anticorpi specifici per la proteina CD4 presenti sulla superficie del chip.

Controllando le portate e lo sforzo di taglio, è possibile ottimizzare la specificità e l'efficienza per questi tipi cellulari. Ovviamente, vi è sempre un legame non specifico, ma grazie ai nostri approcci basati sullo sforzo di taglio, riduciamo al minimo questi effetti e ci assicuriamo che gli errori rimangano entro il ±10%, valore sufficiente per prendere una decisione diagnostica o prognostica anche sulla vetta di una montagna in Africa. Questo approccio ha interessanti applicazioni per la salute globale, e queste tecniche a basso costo, monouso, possono avere un impatto anche nei paesi sviluppati, poiché ora test del sangue rapidi e davvero a basso costo possono influenzare le analisi che utilizziamo nei paesi sviluppati.

Se verranno ottimizzate a livelli più elevati di efficienza e specificità, come i nostri dati iniziali indicano che è possibile, allora avranno sicuramente un impatto sulle nostre vite. Quando ho terminato per la prima volta il mio dottorato, sapevo molto di microfluidica e, in particolare nei MAM, più di ogni altra cosa riuscivo a vedere, specialmente con l'applicazione alle gocce, che se fossi stato in grado di stampare cellule, incapsulare cellule o manipolare poche cellule, cellule singole, ciò avrebbe avuto grandi applicazioni nel settore della biotecnologia. Ero molto interessato a lavorare su argomenti che potessero effettivamente influenzare la vita delle persone.

In precedenza applicavo queste tecnologie al settore dei semiconduttori, ma poi ho desiderato essere utile direttamente alle persone. Così, è stato ciò a indirizzarmi verso problemi nel campo dell'assistenza sanitaria. Ed è per questo motivo che ho effettuato un importante cambiamento ed ho intrapreso un dottorato post-laurea presso un ospedale, il Massachusetts General Hospital.

E lì, sai, sono stato esposto sempre di più ai problemi e appare evidente, ed è chiaro a tutti, che uno dei più grandi problemi del mondo attuale è la salute globale, con malattie come la tubercolosi e l'HIV che uccidono migliaia di persone al giorno. E queste persone muoiono non perché i farmaci non esistano, ma perché non ci sono strumenti diagnostici sufficienti, che sono molto più costosi dei farmaci esistenti. Quindi conosco molto bene l'aspetto tecnologico delle cose.

Ho avuto accesso ai problemi biologici e più ne sapevo, più mi rendevo conto che potevo avere un impatto. Ed è così che tutto è cresciuto da quel momento, e continua ancora oggi.

Come ho visto, nella biotecnologia e nella medicina ci sono tantissimi problemi che causano direttamente la perdita di vite umane, e l'aspetto tecnologico, nonché la possibilità di applicarlo a problemi medici reali, rappresenta, secondo me, un percorso eccellente da seguire. È proprio in questo modo che, a mio avviso, l'intero settore della biotecnologia sta crescendo e diventando sempre più influente. Se ci pensate, l'HIV e il cancro sono tra le principali cause di morte nel mondo.

E le attuali microtecnologie, gli approcci attuali potrebbero forse trarre beneficio da una diagnosi precoce del cancro catturando queste cellule dal sangue o rendendo il processo estremamente economico, rendendolo così accessibile alla popolazione. Tutti questi elementi che si integrano, penso che l'intero campo delle applicazioni delle microtecnologie nell'assistenza sanitaria e nella medicina possa influenzare il futuro dell'umanità. È così che, credo, tutti questi aspetti si uniscono.

E trovarsi nel programma di scienze e tecnologie sanitarie di Harvard e MIT, dove da un lato si ha la tecnologia e dall'altro l'aspetto diretto, l'accesso diretto ai pazienti e ai medici presso il Brigham and Women's Hospital dove lavoro, rappresenta un ambiente eccellente. Poiché ogni persona con cui si parla ha i propri problemi e, forse proprio grazie a un retroterra diverso, si possono fornire soluzioni interessanti a questi problemi concreti del mondo reale. Questo, credo, è il modo in cui vedo l'intera prospettiva dell'incontro tra problemi medici e aspetti tecnologici.

E cerchiamo di influenzare la vita delle persone in modo positivo. Nell'incapsulamento di singole cellule o nell'incapsulamento cellulare, la sfida principale consiste nel poter incapsulare in modo affidabile e ripetibile singole cellule. Quindi si espellono 10.000 centomila cellule al secondo.

E come ci si assicura che ogni goccia emessa contenga una singola cellula? Questa questione riguarda la statistica, in cui si modifica la dimensione della goccia e si minimizza, ottimizzando il rapporto tra la dimensione della cellula e quella della goccia, un problema analogo a quello del confezionamento di sfere in un volume e al modo più efficiente di realizzarlo. Questa è quindi la sfida più grande nel campo della stampa cellulare dal punto di vista tecnologico.

L'altro aspetto è che ora è possibile dire "stampa" e localizzare con precisione queste cellule. Come si possono generare questi tessuti tridimensionali, come si possono mantenere in vita e come si possono trapiantare? È qui che intervengono gli aspetti biologici dei problemi, nei quali si desidera ora mimare esattamente il tessuto.

Disponiamo di approcci attuali che ci permettono di stampare un'isola, un'isola pancreatica, e di utilizzare cellule muscolari lisce per stampare un tessuto vescicale, imitando direttamente ciò che si trova nella vescica umana o nella vescica rossa, in modo da poter produrre questo tessuto e verificarne il funzionamento rispetto ai tessuti nativi esistenti nel mondo reale. Questa è la principale sfida, direi: utilizzando queste nuove tecnologie, come possiamo creare il tessuto ideale che possa essere sostituito, trapiantato? È questo, insomma, il problema più grande fin dall'inizio, perché il controllo sulla singola cellula ti offre la capacità di posizionarla con precisione. E poi, come si fa a farlo crescere da quel punto?

Quindi si tratta di qualcosa di trapiantabile in un contesto in cui entra in gioco l'impatto sulla vita umana. Da questo punto di vista, le sfide nel campo dell'ingegneria tissutale, nell'incapsulamento e nella diagnostica mediante microfluidica consistono nella capacità di isolare una singola cellula tra miliardi di cellule. È come se ci fosse una particella di zucchero in un barattolo di sale e si dovesse estrarre proprio quella particella di zucchero, che rappresenta una su un miliardo.

Quindi, si sta processando da microlitri a millilitri di sangue intero e si desidera essere in grado di isolare in modo specifico ed efficiente, senza problemi tecnologici come occlusioni o problemi biologici come legame non specifico, una singola cellula su un miliardo di cellule in un microlitro di sangue intero, in cui sono presenti alcuni milioni di cellule. Nel caso dei linfociti T CD4 in quel microlitro, si cerca circa un migliaio di cellule per microlitro. Si tratta quindi di un problema del tipo una cellula su mille, che abbiamo dimostrato essere realizzabile.

Ma quando si vogliono isolare le cellule tumorali circolanti per il cancro, la sfida diventa una su un miliardo. Per riassumere, la sfida consiste nel capire come catturare questa singola cellula tra miliardi di altre cellule circostanti. E quali sono gli aspetti tecnologici coinvolti?

Quali sono le portate? Qual è la progettazione del dispositivo? Cosa, quali sono le portate?

Quali sono i volumi di sangue che devono essere processati e come si fa a garantire che le cellule catturate siano effettivamente quelle desiderate? Tutti questi aspetti hanno contribuito a formare la sfida complessiva, riassumibile in una sola domanda: come si fa a catturare una singola cellula rara tra miliardi di altre? Si tratta davvero di un problema del tipo "trovare un ago in un pagliaio", il che lo rende particolarmente stimolante.

E ritengo che far avanzare le tecnologie per affrontare questi problemi rappresenti la sfida tecnologica attuale. Riuscire a portarle a un livello tale da svolgere il compito per cui sono state progettate è una cosa. Poi, trasferirle in ambito clinico e trasformarle in un prodotto richiede competenze diverse, come saper avviare un'azienda, saper brevettare queste tecnologie e tutti gli altri aspetti correlati che entrano in gioco.

E penso che noi scienziati in primo luogo non possediamo tutte quelle competenze necessarie per trasformare i prodotti dal desktop in prodotti finiti. Ecco perché torna a essere fondamentale la collaborazione con persone che hanno esperienze diverse. E ci sono molte tecnologie disponibili che ritengo potrebbero avere un forte impatto ed essere molto utili.

A volte non arrivano alla clinica o all'uso da parte dell'umanità, sia perché semplicemente non è accaduto, non era il momento giusto, oppure perché sono intervenuti altri effetti di cui ho appena parlato. Oppure a volte non esiste un collegamento diretto evidente attraverso cui si possa vedere che la tecnologia potrebbe effettivamente risolvere quel problema. E la persona che si occupa del problema, o diciamo i biologi o gli addetti alla medicina, sono abituati a fare le cose in un certo modo da molti anni.

E le persone del settore tecnologico, soprattutto se non hanno una specializzazione in biotecnologie, non sono consapevoli dei problemi della medicina. Pertanto, unire questi due ambiti costituisce una ricerca interdisciplinare seria. E ritengo che negli ultimi anni l'interesse generale, sia a livello di NIH sia nei laboratori di ricerca e nelle università, sia stato proprio quello di promuovere la ricerca interdisciplinare.

Pertanto, le persone finiscono per conseguire dottorati in cui devono conoscere più settori. Ad esempio, per il mio dottorato, dovevo conoscere l'acustica, dovevo conoscere i mems, dovevo conoscere la microfluidica e dovevo applicare queste conoscenze ai polimeri. Quindi ora si vede una conoscenza molto approfondita in un campo specifico, in cui in realtà era necessario padroneggiare abbastanza bene altri tre settori per riuscire a risolvere il problema.

Pertanto, ritengo che la risposta risieda nella ricerca interdisciplinare abbinata a persone con competenze imprenditoriali, per renderla disponibile all'uso da parte delle persone; si tratta di un processo complesso, con alcune inefficienze che si verificano in determinati punti, causando quella bassa percentuale di trasferimento tecnologico.