Wykorzystanie mikroelektromechanicznych systemów (MEMS) do opracowywania narzędzi diagnostycznych

Jestem U De Mercy, głównym badaczem w Bio Stick MAMs in Medicine Labs. Stopień doktora inżynierii elektrycznej uzyskałem na Uniwersytecie Stanforda. Staż podoktorski odbyłem w Harvard Medical School w MGH, zajmując się bioakustycznymi MAMs lub głównie bio MAs.

Obecnie kontynuuję pracę jako wykładowca w Harvard Medical School w ramach programu Harvard MIT Health Sciences and Technology. Kontynuuję również badania, które sprawiają mi ogromną satysfakcję. Praca, którą prowadziłem w trakcie doktoratu, była ściśle związana z kropelkami oraz wykorzystaniem akustyki do generowania kropelek o precyzyjnym rozmiarze i kontrolowania ich lokalizacji oraz położenia w celu osadzania bardzo czułych polimerów.

Obecnie stosujemy podobne technologie do enkapsulacji komórek w kropelkach, a następnie rozmieszczamy je na powierzchniach w różnych zastosowaniach inżynierii tkankowej, aby drukować komórki na powierzchniach w celu ich wzorowania. Istnieją również zastosowania, w których dąży się do enkapsulacji kilku komórek, pojedynczej komórki lub komórek z tej samej populacji, aby zaobserwować różnice między poszczególnymi komórkami w obrębie tej samej populacji; w związku z tym możliwość enkapsulacji komórek w kropelkach z wysoką przepustowością, rzędu 10 000 komórek na sekundę, staje się bardzo istotna i użyteczna w zrozumieniu problemów biologicznych. Można zatem powiedzieć, że moje obecne badania opierają się na dwóch filarach.

Jednym z przykładów są wspomniane przeze mnie badania nad enkapsulacją komórek. W jaki sposób zamknąć komórkę w kropli, aby proces ten był powtarzalny, niezawodny i nie uszkadzał komórek? Po wyrzuceniu lub zamknięciu komórki w kropli, powinniśmy być w stanie precyzyjnie zlokalizować ją na powierzchni, a sama komórka powinna pozostać funkcjonalna, żywa i żywotna.

Nie powinno ono ulec uszkodzeniu w wyniku wyrzutu i podobnych procesów. Obecnie dysponujemy systemem, w którym wykorzystujemy fale akustyczne do ogniskowania kropli w celu generowania kropel z otwartych zbiorników, co pozwala nam na enkapsulację pojedynczych komórek w bardzo małych kroplach o rozmiarach porównywalnych z rozmiarem komórki. Jest to niezwykle obiecujące w kontekście zastosowania tej metody w drukowaniu komórek i inżynierii tkankowej.

Drugim aspektem moich badań jest ponowne wykorzystanie technologii MEMS (mikrosystemów elektromechanicznych) do opracowywania niskokosztowych narzędzi diagnostycznych. Badania te opierają się głównie na podejściach mikrofluidycznych, które umożliwiają wprowadzanie krwi pełnej w bardzo małych objętościach, na przykład mniej niż 10 µL pobranych z nakłucia palca, bezpośrednio na chip. Z takiej próbki krwi możemy enkapsulować lub wyizolować określone populacje subkomórkowe z krwi pełnej.

Dlaczego jest to ważne? Dlaczego rozwiązanie to powinno być tanie w zastosowaniach w obszarze zdrowia globalnego? Znajdując się na szczycie góry w Afryce, chcielibyśmy mieć możliwość określenia, na przykład u pacjenta z HIV, ile limfocytów T CD4 posiada ta osoba. Wynika to z faktu, że Światowa Organizacja Zdrowia wskazuje, iż przy wartości poniżej 200 komórek CD4 na µL należy rozpocząć leczenie pacjentów. W krajach rozwiniętych, aby uzyskać te dane, wykorzystuje się cytometry przepływowe o wartości setek tysięcy dolarów.

Oczywiście obsługa tak ogromnych maszyn, wielkości stołów, wymaga czasu i odpowiednich umiejętności. Nasz mały chip pozwala na naniesienie za pomocą niewielkiego pipetowego aplikatora 10 µL krwi pełnej, która wychwytuje komórki CD4 dzięki powinowactwu białek powierzchniowych. Następnie można szybko policzyć wychwycone komórki, ponieważ wiadomo, że są to komórki CD4 przyłączone do przeciwciał przeciwko CD4 znajdujących się na powierzchni chipa.

Poprzez kontrolowanie szybkości przepływu i naprężenia ścinającego można zapewnić optymalizację swoistości i wydajności dla tych typów komórek. Oczywiście zawsze występuje wiązanie nieswoiste, jednak dzięki naszym metodom opartym na ścinaniu minimalizujemy te efekty i zapewniamy błąd w granicach plus minus 10%, co jest wystarczające do podjęcia decyzji diagnostycznej lub prognostycznej na szczycie góry w Afryce. Ma to zatem ciekawe zastosowania w obszarze zdrowia globalnego, a te niskokosztowe, jednorazowe techniki mogą wpłynąć również na kraje rozwinięte, ponieważ obecnie tak tanie i szybkie testy krwi mogą zmienić sposób przeprowadzania badań stosowanych w krajach rozwiniętych.

Jeśli zostaną one zoptymalizowane pod kątem wyższej wydajności i specyficzności, co potwierdzają nasze wstępne dane, z pewnością wpłynie to na nasze życie. Kiedy skończyłam doktorat, wiedziałam więcej o mikrofluidyce i jej zastosowaniu w MAMs niż o czymkolwiek innym; widziałam zwłaszcza w przypadku aplikacji kropelkowej, że możliwość drukowania komórek, ich enkapsulacji lub manipulowania niewielką liczbą komórek, w tym pojedynczymi komórkami, znajdzie szerokie zastosowanie w biotechnologii. Bardzo zależało mi na pracy nad rozwiązaniami, które faktycznie wpłyną na życie ludzi.

Stosowałem te technologie w przemyśle półprzewodnikowym, ale z czasem chciałem być bezpośrednio użyteczny dla ludzi. To właśnie skierowało mnie ku problemom w opiece zdrowotnej. Dlatego dokonałem tak znaczącej zmiany i przyszedłem do szpitala, do Mass General Hospital, na staż podoktorski.

I tam, wiecie, coraz bardziej stykałem się z różnymi problemami i stało się jasne, że jednym z największych problemów współczesnego świata jest globalna ochrona zdrowia oraz choroby takie jak gruźlica czy HIV, które każdego dnia zabijają tysiące ludzi. Ludzie ci umierają nie dlatego, że brakuje leków, ale dlatego, że brakuje narzędzi diagnostycznych, które są znacznie droższe niż istniejące leki. Znam więc bardzo dobrze technologiczną stronę tych zagadnień.

Zostałem zapoznany z problemami biologicznymi i im więcej się o nich dowiadywałem, tym bardziej widziałem, że mogę mieć na nie wpływ. Tak to wszystko się zaczęło i tak trwa do teraz.

Widzę, że w biotechnologii i medycynie istnieje wiele problemów, które bezpośrednio prowadzą do utraty ludzkiego życia, a aspekt technologiczny i możliwość zastosowania go w rozwiązaniu rzeczywistych problemów medycznych to moim zdaniem świetna ścieżka rozwoju. Uważam, że cała dziedzina biotechnologii rozwija się i staje się niezwykle znacząca. Wystarczy pomyśleć o HIV czy nowotworach – to jedne z największych przyczyn zgonów na świecie.

Współczesne mikrotechnologie i aktualne podejścia mogłyby odnieść korzyści z wczesnego wykrywania nowotworów poprzez wychwytywanie tych komórek z krwi lub dzięki uczynieniu tej metody bardzo tanią, co sprawiłoby, że stałaby się ona dostępna dla mas. Myślę zatem, że połączenie wszystkich tych czynników sprawi, iż zastosowania mikrotechnologii w opiece zdrowotnej i medycynie mogą wpłynąć na przyszłość ludzkości. Sądzę, że w ten sposób wszystkie te kwestie się ze sobą łączą.

Praca w ramach programu nauk o zdrowiu i technologii Harvard MIT, gdzie z jednej strony mamy technologię, a z drugiej bezpośredni dostęp do pacjentów oraz lekarzy w szpitalu Brigham and Women's Hospital, w którym pracuję, tworzy doskonałe środowisko. Każda osoba, z którą rozmawiam, mierzy się z własnymi problemami, a ja, pochodząc z innego środowiska, mogę zaproponować interesujące rozwiązania tych realnych problemów. Myślę, że właśnie tak postrzegam perspektywę tego, jak problemy medyczne łączą się ze stroną technologiczną.

Staramy się wpływać na życie ludzi w pozytywny sposób. W przypadku enkapsulacji pojedynczych komórek w kropelkach lub ogólnie enkapsulacji komórek, głównym wyzwaniem jest możliwość niezawodnego i powtarzalnego zamykania pojedynczych komórek. Wytryskuje się przecież od 10 000 do 100 000 komórek na sekundę.

A w jaki sposób upewniają się Państwo, że każda wyrzucana kropelka zawiera pojedynczą komórkę? Są to statystyki, w których zmienia się rozmiar kropelki i optymalizuje stosunek wielkości komórki do wielkości kropelki, co sprowadza się do klasycznego problemu upakowania sfer w danej objętości i znalezienia najefektywniejszego sposobu jego rozwiązania. Z technicznego punktu widzenia jest to największe wyzwanie w dziedzinie drukowania komórek.

Kolejnym aspektem jest możliwość drukowania i precyzyjnego rozmieszczania tych komórek. W jaki sposób można generować takie trójwymiarowe tkanki, utrzymywać je przy życiu i jak można je transplantować? Tutaj pojawiają się problemy natury biologicznej, gdzie celem jest dokładne odwzorowanie tkanki.

Obecnie dysponujemy metodami umożliwiającymi biodruk wyspczkowo-wydzielniczych trzustki, a także biodruk tkanki pęcherza moczowego z wykorzystaniem komórek mięśni gładkich, bezpośrednio naśladując strukturę ludzkiego pęcherza, co pozwala nam wytworzyć tę tkankę i przetestować jej sprawność w porównaniu z istniejącymi naturalnymi tkankami. Myślę, że głównym wyzwaniem w wykorzystaniu tych nowatorskich technologii jest to, jak stworzyć idealną tkankę, którą można by zastąpić lub przeszczepić – to jest najpoważniejszy problem od samego początku, ponieważ kontrola nad pojedynczą komórką daje możliwość ich precyzyjnego rozmieszczenia. Następnie kwestią jest to, w jaki sposób doprowadzić do dalszego wzrostu takiej struktury?

Zatem jest to coś, co można tam przeszczepić, w miejscu, gdzie pojawia się wpływ na życie człowieka. W związku z tym, po tej stronie, wyzwaniem w obszarze inżynierii tkankowej jest enkapsulacja, a w diagnostyce z wykorzystaniem mikrofluidyki wyzwaniem jest zdolność do wyizolowania jednej komórki spośród miliardów innych. To tak, jakby w pojemniku z solą znajdowała się pojedyncza drobina cukru i próbowano ją wyłowić – szanse wynoszą jeden do miliarda.

Zatem przetwarzają Państwo od mikrolitrów do mililitrów krwi pełnej i chcą Państwo być w stanie – specyficznie i wydajnie, bez problemów technicznych, takich jak zapychanie, czy problemów biologicznych, takich jak nieswoiste wiązanie – wyizolować jedną komórkę spośród miliarda komórek w jednym mikrolitrze krwi pełnej, w której znajduje się kilka milionów komórek. W przypadku limfocytów T CD4 w tym jednym mikrolitrze szukamy około tysiąca komórek na mikrolitr. Jest to zatem problem rzędu jednej komórki na tysiąc, w odniesieniu do którego wykazaliśmy, że jest to wykonalne.

Jeśli jednak chcemy wyizolować krążące komórki nowotworowe, wyzwanie sprowadza się do znalezienia jednej komórki na miliard. Podsumowując, problem polega na tym, jak uchwycić tę jedną komórkę spośród miliardów innych komórek znajdujących się wokół niej? I jakie są aspekty technologiczne tego procesu?

Jakie są przepływy? Jaka jest konstrukcja urządzenia? Jakie, jakie są przepływy?

Jakie są objętości krwi, które muszą zostać przetworzone i w jaki sposób można upewnić się, że wychwycone komórki są dokładnie tymi, które chciano wyizolować? Wszystkie te aspekty stworzyły wyzwanie, które można podsumować jednym pytaniem: jak wychwycić jedną rzadką komórkę spośród miliardów innych? Jest to w rzeczywistości problem typu szukanie igły w stogu siana, co czyni go niezwykle interesującym.

Uważam, że obecnym wyzwaniem technologicznym jest rozwijanie tych technologii w celu rozwiązania tych problemów. Doprowadzenie ich do poziomu, w którym będą one spełniać swoje założone funkcje, to jedna kwestia. Jednak wdrożenie ich do praktyki klinicznej i przekształcenie w produkt wymaga zupełnie innych kompetencji, takich jak umiejętność założenia firmy, opatentowania tych rozwiązań i wszystkich pozostałych aspektów, które wchodzą w grę.

Uważam, że my, jako naukowcy, nie posiadamy przede wszystkim wszystkich umiejętności niezbędnych do przekształcenia prototypów laboratoryjnych w gotowe produkty. Stąd ponownie wynika znaczenie współpracy z osobami o różnych doświadczeniach i kompetencjach. Istnieje wiele technologii, które moim zdaniem mogłyby przynieść bardzo znaczące i użyteczne efekty.

Czasami rozwiązania te nie trafiają do kliniki ani do użytku ludzkiego, ponieważ po prostu do tego nie doszło, nie był to odpowiedni moment lub pojawiły się inne efekty, o których przed chwilą wspomniałem. A czasami brakuje bezpośredniego powiązania, przez co nie widać, że dana technologia mogłaby w rzeczywistości rozwiązać ten problem. Ponadto osoby zajmujące się tym problemem, na przykład biolodzy lub lekarze, są przyzwyczajeni do robienia tego w jeden sposób przez wiele lat.

Z kolei osoby zajmujące się technologią, zwłaszcza jeśli ich obszarem zainteresowań nie jest biotechnologia, zazwyczaj nie są świadome problemów występujących w medycynie. Dlatego połączenie tych dwóch stron stanowi poważne wyzwanie w ramach badań interdyscyplinarnych. Sądzę, że w ostatnich latach cały nacisk, zarówno na poziomie NIH, jak i w laboratoriach badawczych oraz na uniwersytetach, kładziony jest na generowanie badań interdyscyplinarnych.

W rezultacie ludzie uzyskują stopnie doktora w obszarach, które wymagają znajomości wielu dziedzin. Przykładowo, podczas mojego doktoratu musiałem znać akustykę, systemy MEMS oraz mikrofluidykę, a następnie zastosować tę wiedzę w odniesieniu do polimerów. Widać więc, że bardzo głęboka wiedza w jednej dziedzinie wiąże się w tym przypadku z koniecznością dobrego opanowania trzech innych obszarów, aby móc rozwiązać dany problem.

Sądzę zatem, że rozwiązanie tkwi w badaniach interdyscyplinarnych połączonych z zaangażowaniem osób posiadających umiejętności biznesowe, aby udostępnić te wyniki ludziom; jest to cały, złożony proces, w którym na pewnych etapach pojawiają się nieefektywności. To one powodują tak niski odsetek transferu technologii.