Micro-scala di Ingegneria di biologia cellulare
1 ottobre 2007
Joel Goldman. Sono professore associato di ingegneria elettrica e informatica al MIT. Sono qui da cinque anni.
In generale, lavoriamo su una combinazione di ingegneria microscopica applicata alla biologia cellulare. La nostra ricerca si concentra su due aree principali. Una riguarda in generale la citometria cellulare, che comprende la realizzazione di piattaforme microscopiche per il sorting delle cellule.
Gran parte si basa sulla possibilità di effettuare il sorting dopo la microscopia, quindi sull'abilità di acquisire immagini e poi isolare diverse cellule oppure di creare array predeterminati di cellule in termini di tipo cellulare A insieme al tipo cellulare B, esposti allo stimolo C, e funzionalità di questo tipo. L'altra metà del laboratorio si concentra invece su microtecnologie per la biologia delle cellule staminali. L'obiettivo principale in questo ambito riguarda le cellule staminali embrionali e, soprattutto, lo studio dell'auto-rinnovamento.
E facciamo diverse cose. Eseguiamo alcune colture microfluidiche in cui utilizziamo la perfusione del liquido per ottenere un migliore controllo sui segnali diffusibili. E realizziamo il patterning delle colonie per poter controllare le interazioni tra colonia e colonia.
E poi eseguiamo il patterning delle cellule, ed è qui che entra in gioco il bio flip chip, un metodo per trasportare essenzialmente singole cellule e posizionarle in configurazioni definite. Studiarle sulla piastra è un approccio fantastico e siamo riusciti ad apprendere molte informazioni sulla biologia delle cellule staminali negli ultimi 25 anni lavorando su piastra. È quindi un ottimo approccio e, se funziona, va assolutamente adottato.
Tuttavia, ci sono momenti in cui è importante avere un controllo aggiuntivo a scala delle dimensioni delle cellule. Non è difficile immaginare che, considerando quanto strettamente regolato sia lo sviluppo in vivo, la capacità di controllare con qualei cellule comunicano altre cellule, su quale substrato le cellule si trovano e in quale ambiente sono immerse, in modo dipendente dal tempo e a scala cellulare, risulti fondamentale per lo sviluppo dei tessuti. La morfogenesi e eventi di questo tipo richiedono, se si sta sviluppando una terapia, di comprendere appieno la biologia fondamentale alla base del verificarsi di un determinato fenomeno.
Pertanto, molti dei nostri dispositivi sono progettati per poter svelare domande fondamentali di base, come perché le cellule, perché le cellule staminali embrionali decidono di autorinnovarsi? Autorinnovarsi invece che differenziarsi. E poi c'è anche il problema che, se si cerca di aumentare la produzione, si desidera comprendere quali fattori siano importanti in tale processo di scala.
E quindi, per esempio, nel caso del bio flip chip, abbiamo iniziato a porci domande su quale sia la situazione migliore, su come si debbano coltivare le cellule e su come sia necessario propagarle per massimizzare ciò che ci interessa, come l'efficienza di differenziazione o quella di semina, e così via. Quindi questioni di questo tipo. E poi, in terzo luogo, collegata a queste, c'è l'intero insieme di domande riguardanti il motivo per cui le cellule staminali IC del topo sono diverse dalle cellule staminali IC umane?
In che modo sono diversi? Si tratta di un artefatto culturale? È qualcosa di fondamentale?
Questi tipi di domande. Penso che nei prossimi cinque-dieci anni inizieremo effettivamente a vedere nuove terapie derivanti da cellule staminali embrionali, cosa che, a mio avviso, non è ancora stata dimostrata. Ma sapete, alcuni dei lavori relativi al riprogrammamento pubblicati di recente e alcuni degli obiettivi raggiunti dai ricercatori sono molto, molto impressionanti.
Perciò ritengo che mentre alcuni anni fa avrei detto che fosse a 20 anni di distanza, ora penso che sia più vicino a cinque-dieci anni.
Visualizza la trascrizione completa e accedi a migliaia di video scientifici
Panoramica
Joel Goldman, professore associato al MIT, si concentra sull'ingegneria su scala microscopica applicata alla biologia cellulare. La sua ricerca riguarda principalmente la citometria cellulare e lo sviluppo di piattaforme su scala microscopica per il sorting cellulare.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Biologia cellulare
- Ingegneria microscala
- Citometria cellulare
Sfondo
- Ricerca su tecniche di ordinamento cellulare.
- Applicazione di principi ingegneristici in contesti biologici.
- Sviluppo di piattaforme innovative su scala microscopica.
- Approccio interdisciplinare che combina ingegneria e biologia.
Scopo dello studio
- Migliorare le metodologie di separazione cellulare.
- Creare piattaforme su microscala efficienti per applicazioni biologiche.
- Approfondire la comprensione del comportamento cellulare attraverso soluzioni ingegneristiche.
Metodi Utilizzati
- Tecniche di ingegneria su microscala.
- Metodologie di separazione cellulare.
- Progettazione sperimentale per applicazioni biologiche.
- Integrazione della ricerca ingegneristica e biologica.
Risultati principali
- Sviluppo di nuove piattaforme su scala microscopica.
- Tecniche migliorate per l'ordinamento delle cellule.
- Approfondimenti sul comportamento cellulare attraverso soluzioni ingegnerizzate.
- Applicazione con successo dell'ingegneria nella biologia cellulare.
Conclusioni
- L'ingegneria su microscala migliora significativamente la ricerca in biologia cellulare.
- Piattaforme innovative possono portare a scoperte nel campo del sorting cellulare.
- Gli approcci interdisciplinari sono fondamentali per far progredire le conoscenze scientifiche.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
L'ingegneria su microscala permette un controllo preciso degli microambienti cellulari, supportando la riduzione del rischio meccanicistica nella biologia delle cellule staminali e la validazione degli obiettivi per le terapie rigenerative. Progettando configurazioni cellulari e condizioni di segnalazione definite, i ricercatori possono indagare i meccanismi fondamentali del self-renewal e della differenziazione, migliorando la predittività dei modelli preclinici. Questo approccio collega la biologia della scoperta con la rilevanza traslazionale, riducendo l'ambiguità nelle decisioni riguardo al destino cellulare, fondamentali per lo sviluppo terapeutico.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Permette l'analisi di ipotesi terapeutiche controllando le interazioni cellulari, la composizione del substrato e l'esposizione a fattori solubili su scale fisiologicamente rilevanti.
- Valore operativo: Supporta la validazione funzionale di bersagli mediante array di co-colture definite e test di risposta a stimoli in sistemi di cellule staminali.
- Valore predittivo: Aumenta la fiducia nell'identificazione di composti promettenti chiarificando i meccanismi che regolano le decisioni del destino delle cellule staminali in condizioni microambientali controllate.
Sviluppo di screening e saggi
- Prontezza del saggio: Piattaforme su scala microscopica come il bio flip chip facilitano la preparazione di array cellulari standardizzati per lo screening riproducibile di composti o stimoli.
- Risultati quantitativi: Permette la misurazione dell'efficienza di semina, della formazione di colonie e dei marcatori di differenziamento come variabili dipendenti nei flussi di lavoro di screening.
- Scalabilità e riutilizzo: Consente l'adattamento attraverso diversi sistemi modello (ad esempio cellule staminali di topo rispetto a quelle umane) per valutare risposte specifiche della specie nelle fasi iniziali della scoperta.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Continuità Translazionale: Permette lo studio delle differenze specifiche tra specie nel comportamento delle cellule staminali, fornendo informazioni per l'allineamento di biomarcatori traslazionali e la selezione di modelli preclinici.
- De-risking Meccanicistico: Consente un controllo dipendente dal tempo dei componenti della nicchia per imitare i segnali dello sviluppo, riducendo l'incertezza nelle previsioni sulla morfogenesi dei tessuti.
- Avanzamento Basato sul Rischio: Fornisce dati sui fattori di scala rilevanti per le considerazioni produttive relative alle terapie derivate da cellule staminali.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
La tecnologia si integra nelle fasi che vanno dalla scoperta iniziale a quelle precliniche, permettendo un'indagine basata su ipotesi sul comportamento cellulare, sostenendo la standardizzazione dei saggi e guidando le decisioni traslazionali attraverso il controllo del microambiente.
- Biologia della scoperta: Facilita la chiarificazione dei percorsi biologici e la riduzione del rischio biologico isolando le variabili nelle interazioni tra cellule staminali e nicchia.
- Screening: Garantisce la prontezza del saggio mediante un posizionamento standardizzato delle cellule e una coltura basata sulla perfusione, assicurando un'esposizione costante agli stimoli.
- Analisi: Produce letture quantitative sulle risposte cellulari (ad esempio, autorenovazione vs. differenziazione), consentendo l'analisi comparativa tra diverse condizioni.
- Ricerca traslazionale: Collega la scoperta al lavoro preclinico modellando condizioni di nicchia rilevanti per l'uomo e identificando meccanismi regolatori conservati.
- Riutilizzo aziendale: Rappresenta una piattaforma modulare adattabile a diversi tipi cellulari e progettazioni sperimentali in vari progetti di scoperta.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Riduce l'ambiguità meccanicistica nella biologia delle cellule staminali attraverso un controllo preciso degli microambienti cellulari nel tempo e nello spazio.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la standardizzazione nei saggi sulle cellule staminali grazie a vincoli geometrici e fluidici definiti.
- Valore strategico: Migliora le decisioni di avanzamento o interruzione dei progetti aumentando la fiducia nella validità del meccanismo bersaglio e riducendo il rischio di fallimenti biologici in fasi avanzate.
- Impatto sul portafoglio: Consente una priorizzazione adeguata al rischio dei candidati basati su cellule staminali, grazie a una modellizzazione predittiva migliorata degli esiti di differenziazione.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella fabbricazione su microscala, nella microfluidica e nelle tecniche di coltura delle cellule staminali.
- Presuppone l'accesso a infrastrutture per la litografia morbida, la stampatura in PDMS e la microscopia a fluorescenza.
- Necessita di protocolli standardizzati per la semina cellulare, il controllo della perfusione e il monitoraggio ambientale tra diversi gruppi di lavoro.
- Comporta considerazioni di adattamento nella traduzione delle piattaforme dai sistemi di cellule staminali murine a quelli umani, a causa di differenti requisiti di nicchia.
- È limitato da vincoli di produttività quando si scala la manipolazione singola della cellula per campagne di screening su larga scala.
