Использование Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) для разработки средств диагностики

Меня зовут Ю де Мерси, я являюсь главным исследователем в лабораториях Bio Stick MAMs in Medicine. Я получил степень PhD в области электротехники в Стэнфордском университете. После этого я прошел стажировку (postdoc) в Гарвардской медицинской школе в MGH, где занимался биоакустическими MAMs или, в основном, био-MA.

В настоящее время я продолжаю работу в качестве преподавателя в Гарвардской медицинской школе в рамках программы Гарварда и Массачусетского технологического института по наукам о здоровье и технологиям (Health Sciences and Technology). Также я продолжаю заниматься исследованиями, которые приносят мне большое удовольствие. Работа, которую я выполнял во время докторантуры, была тесно связана с каплями и использованием акустики для создания капель точного размера, а также управлением их расположением и позиционированием для нанесения высокочувствительных полимеров.

Теперь мы применяем аналогичные технологии для инкапсуляции клеток в капли с их последующим размещением на поверхностях для различных задач тканевой инженерии, в частности, для печати клеток на поверхностях с целью создания клеточных паттернов. Кроме того, существуют области применения, где необходимо инкапсулировать несколько клеток или одну клетку из одной и той же популяции, чтобы изучить различия между отдельными клетками внутри этой популяции; в таких случаях крайне важным и полезным для решения биологических задач становится возможность инкапсулировать клетки в капли с высокой пропускной способностью, например, со скоростью около 10 000 клеток в секунду. Таким образом, можно сказать, что мои текущие исследования развиваются в двух основных направлениях.

Одной из таких работ является исследование по инкапсуляции клеток, о котором я только что говорил. Как поместить клетку в каплю, и как делать это многократно, надежно и без вреда для клеток? После того как клетка будет выброшена или инкапсулирована в капле, мы должны иметь возможность точно локализовать её на поверхности, при этом клетка должна оставаться функциональной, живой и жизнеспособной.

Оно не должно повреждаться воздействием выброса и тому подобным. Таким образом, в настоящее время мы используем систему, в которой акустические волны с фокусировкой капель позволяют генерировать такие капли из открытых резервуаров, что дает нам возможность инкапсулировать вплоть до одиночных клеток в этих очень маленьких каплях, размеры которых сопоставимы с размером клетки. Это открывает очень интересные перспективы для применения данного метода в печати клеток и тканевой инженерии.

Другая сторона моих исследований снова связана с использованием этих технологий МЭМС (микроэлектромеханических систем) для разработки недорогих диагностических инструментов. В основном в этих исследованиях используются микрофлюидные подходы, которые позволяют вводить цельную кровь в очень малых объемах, например, кровь из прокола пальца — менее 10 µL, которую можно ввести в чип. Из этой крови мы можем инкапсулировать или захватывать определенные субклеточные популяции из цельной крови.

Почему это важно? Почему такие решения должны быть недорогими для применения в сфере глобального здравоохранения? Например, находясь в отдаленном горном районе Африки, вы хотите иметь возможность определить количество CD4+ Т-лимфоцитов у пациента с ВИЧ. Это необходимо, поскольку Всемирная организация здравоохранения утверждает, что при уровне ниже 200 CD4-клеток на µL следует начинать лечение пациента. В развитых странах для получения этих данных используются проточные цитометры стоимостью в сотни тысяч долларов.

Разумеется, использование таких огромных, размером со стол, аппаратов требует времени и определенного навыка. Наш небольшой чип позволяет ввести этот крошечный объем — 10 µL цельной крови, и он захватит CD4-клетки за счет аффинности поверхностных белков. Затем можно быстро подсчитать захваченные клетки, так как известно, что это именно CD4-клетки, которые связались с антителами к белкам CD4 на поверхности чипа.

Контролируя скорость потока и сдвиг, можно обеспечить оптимизацию специфичности и эффективности для этих типов клеток. Разумеется, всегда присутствует неспецифическое связывание, но с помощью наших подходов к созданию сдвига мы минимизируем эти эффекты и обеспечиваем погрешность в пределах ±10%, чего достаточно для принятия диагностического или прогностического решения даже на вершине горы в Африке. Таким образом, данный метод имеет интересные возможности применения в сфере глобального здравоохранения, а эти недорогие одноразовые методики могут повлиять и на развитые страны, поскольку теперь подобные экспресс-анализы крови с очень низкой стоимостью могут изменить подходы к тестированию, используемым в развитом мире.

Если их оптимизировать для достижения более высокого уровня эффективности и специфичности, что, согласно нашим первоначальным данным, вполне возможно, это определенно повлияет на нашу жизнь. Когда я только закончил докторантуру, я знал о микрофлюидике и ее применении в MAMs больше, чем о чем-либо еще; особенно в части работы с каплями я понимал, что если удастся печатать клетки, инкапсулировать их или манипулировать небольшим количеством клеток или даже одиночными клетками, это найдет широкое применение в области биотехнологий. И мне было очень интересно работать над тем, что действительно принесет пользу людям.

Раньше я применял эти технологии в полупроводниковой промышленности, но затем я захотел приносить пользу людям напрямую. Именно это привело меня к решению проблем в области здравоохранения. Поэтому я совершил серьезный поворот в карьере и приехал в больницу общего профиля Массачусетса (Mass General Hospital) на постдокторантуру.

И там, знаете ли, я всё больше и больше сталкивался с различными проблемами, и стало совершенно ясно, что одной из самых острых мировых проблем сегодня является глобальное здравоохранение. Существуют такие заболевания, как туберкулез и ВИЧ, которые ежедневно уносят тысячи жизней. И эти люди умирают не из-за отсутствия лекарств, а из-за нехватки средств диагностики, которые стоят гораздо дороже существующих препаратов. Поэтому я очень хорошо знаком с технологической стороной этого вопроса.

Я столкнулся с биологическими проблемами, и чем больше я о них узнавал, тем яснее видел, что могу внести свой вклад в их решение. Так всё и началось, и этот процесс продолжается и сейчас.

Я вижу, что в биотехнологии и медицине существует множество проблем, которые напрямую приводят к потере человеческих жизней, и возможность применять технологический аспект для решения реальных медицинских задач — это, на мой взгляд, отличный путь развития. В этом заключается суть роста всей области биотехнологии, которая становится все более значимой. Если задуматься, ВИЧ и рак — одни из главных причин смертности в мире.

Современные микротехнологии и подходы могли бы извлечь пользу из раннего выявления рака путем захвата таких клеток из крови или за счет значительного удешевления процесса, что сделало бы диагностику доступной для широких масс. Таким образом, совокупность всех этих факторов, на мой взгляд, позволит применению микротехнологий в здравоохранении и медицине повлиять на будущее человечества. Полагаю, именно так все эти аспекты взаимосвязаны.

Работа в программе Гарварда и Массачусетского технологического института по медицинским наукам и технологиям обеспечивает прекрасную среду, так как с одной стороны здесь представлены технологии, а с другой — прямой доступ к пациентам и врачам в больнице Brigham and Women's Hospital, где я работаю. Каждый человек, с которым вы общаетесь, сталкивается со своими проблемами, и вы, возможно, обладая иным опытом, сможете предложить интересные решения этих реальных практических задач. Именно так я вижу взаимодействие медицинских проблем с технологической стороной.

И мы стремимся оказывать положительное влияние на жизнь людей. При инкапсуляции отдельных клеток в капсулы или просто при инкапсуляции клеток основной проблемой является возможность надежно и воспроизводимо инкапсулировать одиночные клетки. Таким образом, вы выпрыскиваете от 10 000 до 100 000 клеток в секунду.

А как убедиться, что в каждой выбрасываемой капле находится одна клетка? Эта статистика основана на изменении размера капли и оптимизации соотношения размера клетки к размеру капли, что возвращает нас к классической задаче упаковки сфер в объеме и поиску наиболее эффективного способа ее решения. Таким образом, с технологической точки зрения, это является самой серьезной проблемой в области клеточной печати.

Другой аспект заключается в том, что теперь можно осуществлять печать и точное позиционирование этих клеток. Как создать такие трехмерные ткани, как поддерживать их жизнеспособность и как их трансплантировать? Здесь возникают биологические проблемы, связанные с необходимостью точного воспроизведения структуры ткани.

В настоящее время существуют подходы, позволяющие печатать островцы поджелудочной железы, а также использовать гладкомышечные клетки для печати ткани мочевого пузыря, напрямую имитируя структуру человеческого или красного мочевого пузыря. Это позволяет нам создавать такую ткань и проверять, насколько эффективно она функционирует по сравнению с существующими нативными тканями в реальных условиях. Полагаю, что основной проблемой при использовании этих новых технологий является то, как создать идеальную ткань для замены или трансплантации; это была главная задача с самого начала, поскольку контроль над каждой отдельной клеткой дает возможность точно определить их расположение. И следующим вопросом становится то, как обеспечить их последующий рост?

Таким образом, речь идет о чем-то трансплантируемом, что оказывает влияние на человеческую жизнь. В связи с этим, если говорить о проблемах в области тканевой инженерии, инкапсуляции и диагностики с использованием микрофлюидики, основной сложностью является способность выделить одну клетку из миллиардов. Это похоже на поиск крупицы сахара в банке с солью, когда вы пытаетесь извлечь эту единственную частицу сахара, шанс найти которую составляет один на миллиард.

Таким образом, при обработке объемов цельной крови от нескольких микролитров до миллилитров, чтобы специфично и эффективно, без технических проблем, таких как засорение, или биологических проблем, таких как неспецифическое связывание, вы хотите иметь возможность изолировать одну клетку из миллиарда клеток; в одном микролитре цельной крови содержится несколько миллионов клеток. В случае с CD4+ T-лимфоцитами в одном микролитре нам нужно выделить около тысячи клеток. Таким образом, это задача по выделению одной клетки из тысячи, и мы продемонстрировали, что это осуществимо.

Однако при поиске циркулирующих опухолевых клеток для диагностики рака задача становится сопоставимой с поиском одной клетки среди миллиарда. Таким образом, если резюмировать, проблема заключается в том, как выделить эту единственную клетку из миллиардов окружающих ее других клеток, и каковы технологические аспекты этого процесса?

Каковы скорости потока? Какова конструкция устройства? Какие, какие скорости потока?

Каковы объемы крови, которые необходимо обработать, и как убедиться в том, что захваченные вами клетки — это именно те, которые вам были нужны? Все эти аспекты в совокупности составляют основную проблему, которую можно сформулировать одним предложением: как выделить одну редкую клетку из миллиардов других? По сути, это задача по поиску иголки в стоге сена, что делает ее крайне интересной.

Я считаю, что развитие этих технологий для решения данных проблем является нынешним технологическим вызовом. Одно дело — довести их до уровня, когда они будут выполнять свои функции должным образом. Совсем другое — внедрить их в клинику и создать коммерческий продукт; здесь требуются совершенно иные компетенции, такие как умение основать компанию, запатентовать разработки и все остальные сопутствующие аспекты.

И я считаю, что мы, ученые, в первую очередь не обладаем всеми теми навыками, которые позволяют превратить настольную разработку в полноценный продукт. Именно здесь снова проявляется важность сотрудничества с людьми с разным профессиональным опытом. Существует множество технологий, которые, на мой взгляд, могут оказаться очень эффективными и полезными.

Иногда они не доходят до клинического применения или использования человеком по причине того, что это просто не произошло, было неподходящее время или проявились другие эффекты, о которых я только что говорил. А иногда отсутствует прямая связь, из-за чего не очевидно, что данная технология действительно может решить конкретную проблему. И люди, которые сталкиваются с этой проблемой, скажем, биологи или медики, привыкли решать её одним и тем же способом на протяжении многих лет.

Специалисты в области технологий, если их деятельность не сосредоточена на биотехнологиях, по большей части не осведомлены о проблемах медицины. Поэтому объединение этих двух сторон представляет собой серьезное междисциплинарное исследование. И я считаю, что в последние годы основной акцент как на уровне NIH, так и в исследовательских лабораториях и университетах делается именно на развитие междисциплинарных исследований.

В итоге люди получают степени PhD, требующие знаний в нескольких областях. Например, для моей докторской диссертации мне пришлось изучить акустику, МЭМС, микрофлюидику и применить эти знания к полимерам. Таким образом, вы видите глубокие познания в одной области, которые потребовали весьма уверенного владения тремя другими дисциплинами для решения данной задачи.

Таким образом, я считаю, что решение заключается в междисциплинарных исследованиях в сочетании с привлечением специалистов в области бизнеса, чтобы сделать результаты доступными для людей; это сложный многоэтапный процесс, в котором на определенных стадиях возникают определенные неэффективности. Именно это приводит к низкому проценту трансфера технологий.