Dispositivo microfluidico a doppio strato per la produzione di tappi combinatori
1 dicembre 2023
Qui viene presentata la fabbricazione di un dispositivo a doppio strato basato su polidimetilsilossano (PDMS) per la produzione di librerie combinatorie in emulsioni acqua-in-olio (tappi). L'hardware e il software necessari per automatizzare la produzione di tappi sono dettagliati nel protocollo e viene dimostrata anche la produzione di una libreria quantitativa di tappi fluorescenti.
Noi del Systems Biology for Oncology Group utilizziamo un approccio computazionale e sperimentale combinato per svelare l'intricato meccanismo che modella il microambiente tumorale. Utilizziamo modelli matematici basati su dati clinici e biologia del cancro per identificare i fattori che influenzano la risposta individuale alla terapia con l'obiettivo finale di migliorare l'oncologia di precisione. Data la natura eterogenea e dinamica della risposta tumorale alla terapia, la biologia delle perturbazioni ha dimostrato il potenziale per superare i limiti dei biomarcatori genomici.
Il nostro approccio prevede di sottoporre le cellule tumorali ricettive a un ampio screening farmacologico antitumorale per identificare le proprietà fenotipiche dei tumori al fine di determinare trattamenti antitumorali più efficaci. La microfluidica è una tecnologia preziosa che aiuta nell'analisi di una piccola quantità di campione, come la biopsia tumorale, distribuendola in singoli compartimenti come goccioline o tappi. Consente inoltre il controllo della composizione di ciascun tappo, creando così più popolazioni di tappi chimicamente distinti.
Presentiamo qui un dispositivo completamente basato su PDMS in cui il flusso del fluido è regolato da valvole antisismiche azionate a pressione, che consentono la produzione rapida, controllata e programmabile di popolazioni di tappi distinte. Inoltre, poiché anche le valvole antisismiche sono basate su PDMS, possono essere integrate senza problemi nella fabbricazione del dispositivo. La combinazione dei dati ottenuti dallo screening combinatorio delle cellule tumorali con i modelli matematici ci permetterà di studiare le vie di segnalazione che regolano il comportamento del microambiente tumorale.
Questa ricerca aprirà la strada a nuove strategie per l'oncologia di precisione, fornendo il razionale per personalizzare il trattamento per i singoli pazienti.
Panoramica
Questo articolo presenta la fabbricazione di un dispositivo bistrato a base di PDMS progettato per la produzione di librerie combinatorie in emulsioni acqua-in-olio. Il protocollo descrive l'hardware e il software necessari per automatizzare la produzione di tappi e dimostra la creazione di una libreria quantitativa di tappi fluorescenti.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Microfluidica
- Screening combinatorio
- Biologia del cancro
Sfondo
- L'ambiente tumorale è complesso e dinamico.
- La oncologia di precisione mira a personalizzare il trattamento in base alle risposte individuali.
- La microfluidica permette l'analisi di campioni ridotti creando compartimenti distinti.
- I dispositivi in PDMS consentono un flusso controllato dei fluidi per una produzione efficiente di tappi.
Scopo dello studio
- Sviluppare un dispositivo per produrre popolazioni distinte di plug per la ricerca sul cancro.
- Combinare dati sperimentali con modelli matematici per comprendere meglio il comportamento tumorale.
- Potenziare le strategie per l'oncologia di precisione.
Metodi Utilizzati
- Realizzazione di un dispositivo microfluidico basato su PDMS.
- Utilizzo di valvole di Quake attivate a pressione per la regolazione dei fluidi.
- Produzione automatica di tappi mediante controllo software.
- Generazione di una libreria combinatoria di tappi fluorescenti.
Risultati principali
- È stata generata con successo una libreria quantitativa di tappi.
- Il dispositivo ha dimostrato un efficace controllo del flusso di fluido.
- È stata delineata l'integrazione di modelli matematici con dati sperimentali.
- Sono state discusse potenziali applicazioni in oncologia di precisione.
Conclusioni
- Il dispositivo basato su PDMS è uno strumento prezioso per la ricerca sul cancro.
- Facilita la produzione di popolazioni di tappi chimicamente distinti.
- Questo approccio potrebbe portare a strategie migliorate per il trattamento del cancro.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
La produzione ad alto rendimento di "plug" combinatori mediante dispositivi microfluidici a doppio strato consente uno screening rapido e programmabile delle risposte farmacologiche in campioni derivati da pazienti in quantità limitata. Questa tecnologia affronta la sfida di generare compartimenti reattivi quantitativi e chimicamente distinti per lo screening fenotipico e l'analisi dei percorsi metabolici in oncologia. La sua integrazione con modellistica computazionale supporta un'elevata affidabilità predittiva e una riduzione del rischio meccanicistico in punti critici della scoperta.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Permette una perturbazione sistematica delle cellule tumorali per verificare ipotesi terapeutiche e chiarire i percorsi di segnalazione.
- Supporta la riduzione del rischio biologico generando ambienti chimici diversificati per la validazione funzionale del bersaglio.
- Facilita una previsione affidabile nella selezione del bersaglio attraverso risultati di screening quantitativi e multiparametrici.
Sviluppo di Screening e Saggi
- Prepara sistemi biologici miniaturizzati e validati per flussi di lavoro di screening ad alto rendimento.
- Fornisce popolazioni di plug standardizzate e riproducibili con composizione e quantità programmabili.
- Permette lo sviluppo di saggi scalabili e automatizzati per la valutazione affidabile di composti e l'espansione di librerie.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea lo screening combinatorio a sistemi pertinenti alla malattia utilizzando biopsie tumorali ottenute da pazienti.
- Mantiene una continuità traslazionale dalla scoperta alla validazione preclinica integrando dati sperimentali e computazionali.
- Fornisce una riduzione del rischio meccanicistica per le strategie di oncologia di precisione mappando le risposte fenotipiche ai farmaci.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questa piattaforma microfluidica a doppio strato è adatta dalla fase iniziale di scoperta fino all'identificazione dei composti promettenti e alla ricerca preclinica, in particolare nei percorsi mirati all'oncologia.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica delle ipotesi e la chiarificazione dei percorsi metabolici consentendo esperimenti di perturbazione controllata in compartimenti nanolitro.
- Screening: Fornisce librerie di compartimenti pronte per il saggio, riproducibili e con output quantitativi per l'analisi comparativa.
- Analisi: Offre misurazioni quantitative ad alto contenuto informativo per il confronto statistico delle risposte ai farmaci e dell'attività dei percorsi metabolici.
- Ricerca traslazionale: Collega la fase di scoperta a quella preclinica permettendo l'uso diretto di campioni derivati da pazienti in screening combinatori.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma programmabile e scalabile, adattabile alle diverse esigenze di screening e sviluppo di saggi in vari ambiti terapeutici.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nella validazione di bersagli e percorsi.
- Valore operativo: Standardizza e automatizza la produzione di piastre per garantire riproducibilità e scalabilità nei flussi di lavoro di screening.
- Valore strategico: Migliora la qualità delle decisioni di avanzamento o interruzione e l'efficienza del capitale abilitando la generazione di dati robusti e multiplex.
- Impatto sul portafoglio: Supporta la priorizzazione e la progressione dei candidati in base a dati quantitativi di screening fenotipico, adeguati al rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze nella fabbricazione di dispositivi microfluidici e nella fluidica a pressione controllata.
- Necessita dell'integrazione di hardware programmabile, software e infrastruttura analitica per il funzionamento automatizzato.
- Richiede una standardizzazione condivisa tra i gruppi di lavoro per la codifica della composizione dei plug e la gestione dei dati.
- Adattabile a diversi sistemi modello, ma potrebbe richiedere un'ottimizzazione per diversi tipi cellulari o reagenti.
- I limiti operativi di pressione e le soglie di attivazione delle valvole devono essere convalidati per ogni applicazione.
