Bioloģiskās izpētes rīks - Mikroadatu masīvi: precīzs skalpelis in vivo noteikšanai un iejaukšanās

Bioloģiskās izpētes rīks - mikroadatu bloki: precīzs skalpelis in vivo noteikšanai un iejaukšanās
Integrētas mikroadatas mikroshēmas + reāllaika-uzraudzība un minimāli invazīva iejaukšanās
Dzīvības zinātnes pētniecības progresīvākā mikroadatu tehnoloģija ir attīstījusies no vienkārša piegādes rīka līdz daudzfunkcionālai integrētai platformai. Šīs milimetru-mēroga precizitātes ierīces tagad veic "minimāli invazīvas operācijas" dzīviem bioloģiskiem paraugiem, kam iepriekš bija nepieciešami sarežģīti instrumenti, nodrošinot vēl nebijušu telpiskās un laika izšķirtspējas logu dzīvības procesu izpratnei.
Tehnoloģiskās integrācijas sarežģītība nosaka jaunās paaudzes pētniecības instrumentus. Pamata vienas -funkcijas mikroadatas ir jauninātas līdz četrām integrētām sistēmām: sensoru mikroadatas (integrēti biosensori), stimulējošās mikroadatas (integrēti mikroelektrodi), paraugu ņemšanas mikroadatas (integrēti mikrokanāli) un multimodālās mikroadatas (iepriekš minēto funkciju kombinācija). Visprogresīvākais "organ-on-a-chip interfeisa mikroadatu masīvs" integrē 64 neatkarīgi adresējamas mikroadatas 4 × 4 mm mikroshēmā, katrā adatas korpusā ir mikrokanāls (reaģenta ievadīšanai), elektrods (elektrisko signālu ierakstīšanai) un optiskais logs (fluorescences ilglaicīgai{{im) noteikšanai, aktivizēšanai. in vitro modeļu, piemēram, organoīdu un audu šķēlumu, uzraudzība.
Reāllaika{0}}uzraudzība ir sasniegusi ievērojamus rezultātus vielmaiņas pētījumu jomā. Tradicionālā metabolītu noteikšana balstās uz periodisku asins paraugu ņemšanu, kas zaudē kinētisko informāciju. Implantējamie glikozes mikroadatas sensori var nepārtraukti uzraudzīt intersticiālā šķidruma glikozes koncentrāciju ar laika izšķirtspēju 1 minūti, aizvietojot 80% no nepieciešamības ņemt asins paraugus pirkstā. Uzlabotākos pētījumos ir apvienotas mikroadatas ar masas spektrometrijas zondēm - adatu gali ir pārklāti ar cietas-fāzes mikroekstrakcijas materiāliem, kas adsorbē mazmolekulārus metabolītus pēc ievietošanas audos, un tos var tieši analizēt ar masas spektrometriju, lai iegūtu reāllaika vielmaiņas pirkstu nospiedumus audzēja mikroenvironā. Parkinsona slimības modelī šī tehnoloģija veiksmīgi fiksēja dopamīna koncentrācijas dinamiskās svārstības pēc levodopas ievadīšanas, nodrošinot tiešus pierādījumus dozēšanas režīma optimizēšanai.
Minimāli invazīvas iejaukšanās neirozinātnēs izlaužas cauri tehniskajām vājajām vietām. Dziļajai smadzeņu stimulācijai (DBS) Parkinsona slimības ārstēšanai nepieciešama kraniotomija elektrodu implantēšanai, kas ir ļoti riskanti. Elastīgi mikroelektrodu bloki tiek implantēti caur nelielu kaula caurumu, ko vada mikroadatas vadotne un kura diametrs ir tikai 150 μm. Pēc implantācijas tie atbilst smadzeņu audu modulim, samazinot imūnreakciju par 90%. Optoģenētiskos lietojumos dobās mikroadatas darbojas kā "optiskās šķiedras mikroadatas", lai vadītu gaismu dziļos smadzeņu reģionos, vienlaikus piegādājot vīrusu vektorus caur mikrokanāliem, lai precīzi kontrolētu konkrētus neironu tipus. Jaunākais sasniegums ir "ķīmij{7}}optoģenētiskā mikroadata", kuras galā ir integrēta viegla-kontrolētas zāļu atbrīvošanās membrāna. Kad tas tiek pakļauts zilai gaismai, tas atbrīvo neirotransmiterus, sasniedzot milisekundes{10}}laika precizitāti, kontrolējot neironu ķēdes, un tas nav sasniedzams ar tradicionālajām perfūzijas sistēmām.
Vienas{0}}šūnas analīze ir sasniegusi jaunu precizitātes līmeni. Tradicionālajai vienas-šūnu sekvencēšanai nepieciešama audu disociācija, kas noved pie telpiskās informācijas zuduma. Mikro-adatu paraugu ņemšanas tehnika var savākt atsevišķu šūnu citoplazmas saturu in situ no dzīviem dzīvniekiem. Adatas gala diametrs ir 1 μm, un tā virsma{7}}modificēta ar šūnu membrānu{8}}iekļūstošiem peptīdiem. Pēc iekļūšanas šūnas membrānā tas ar kapilāru darbību absorbē aptuveni 1 pL citoplazmas un pēc tam pārnes paraugu uz mikrofluidisko mikroshēmu vienas šūnas RNS sekvencēšanai. Pētot peles smadzeņu garozu, šī metode veiksmīgi kartēja neironu transkripta izmaiņas reāllaikā telpiskās kontekstuālās atmiņas veidošanās laikā un pirmo reizi novēroja ar atmiņu kodējošo-saistīto gēnu dinamisko izpausmi in vivo līmenī.
Audzēju izpētes lietojumi ir panākuši lēcienu no apraksta līdz manipulācijai. Tradicionālie audzēju modeļi cenšas simulēt zāļu trīsdimensiju iekļūšanu audos. Mikro-adatu bloki var izveidot "mākslīgo asinsvadu tīklu" ar 128 dobām mikro-adatām, kas ievietotas audzēja audos, un katra adatas gala plūsmas ātrumu kontrolē mikrofluidiskā sistēma, lai modelētu perfūzijas atšķirības dažādos asinsvadu reģionos. Krūts vēža modelī šī platforma veiksmīgi prognozēja doksorubicīna koncentrācijas gradientu nekrotiskās kodola un proliferatīvās robežas reģionos ar korelāciju 0,91 ar in vivo PET{8}}CT rezultātiem. Vēl radikālāks pielietojums ir "mikro-imūnterapija ar adatu" - PD-1 antivielu un STING agonistu ievietošana adatas galos un tieša injicēšana audzējā, panākot lokālu zāļu koncentrāciju, kas ir 1000 reižu lielāka nekā intravenozai ievadīšanai, un samazinot sistēmiskās blakusparādības par 95%. Melanomas modelī pilnīgas atbildes reakcijas līmenis palielinājās no 35% līdz 78%.
Inovācijas ražošanas procesos ir atbalstījušas šīs sarežģītās funkcijas. No agrīnās silīcija-bāzes mikroražošanas līdz mūsdienu polimēru daudzslāņu litogrāfijai mikro-adatu struktūru sarežģītība ir ievērojami palielinājusies. Sarežģītākā "mikro-adatu sistēma-uz-čipa" izmanto 8-slāņu SU-8 fotorezistentu kopu, lai izveidotu trīs-dimensiju kanālu tīklu. Arī uzgaļu modifikācijas paņēmieni ir dažādi: elektroķīmiskā nogulsnēšanās uz gala veido zelta nano daudzslāņu slāni, lai uzlabotu Ramana signālus; atomu slāņa nogulsnēšanās aptin cinka oksīdu uz gala, lai panāktu gaismas kontrolētu zāļu izdalīšanos; DNS origami uz gala saliek "inteliģentos loģikas vārtus", atbrīvojot zāles, reaģējot uz specifiskām mikroRNS kombinācijām.
Rūpnieciskā ekosistēma veidojas ar specializētām nodaļām. Augšējā straume sastāv no mikro-nano apstrādes lietuvēm (piemēram, TSMC MEMS ražošanas līnija), vidusdaļu aizņem funkcionalizācijas uzņēmumi (nodarbojas ar virsmas modifikāciju un bio-konjugāciju), bet pakārtoto apdzīvo instrumentu uzņēmumi (integrējoties komerciālajās iekārtās). Augstas -caurlaidības zāļu skrīninga sistēmai, kas apvieno mikro-adatu paraugu ņemšanu un tiešsaistes masas spektrometrijas analīzi, cena ir samazinājusies no miljonu-dolāru diapazona līdz 300 000 USD, padarot to pieejamu vidēja izmēra laboratorijām. Nākamo piecu gadu laikā, pieaugot automatizācijas līmenim, mikroadatu izpētes platformas pāries no ekspertu pielāgošanas uz standartizētiem produktiem. Tiek prognozēts, ka trīs galvenajās neirozinātnes, audzēju imunoloģijas un vielmaiņas slimību jomās mikro-adatu tehnoloģiju iespiešanās ātrums pieaugs no pašreizējiem 15% līdz 45%, virzot dzīvības zinātnes pētniecību jaunā "vienas šūnas telpiskās un laika dinamikas" ērā no "vispārējās populācijas eksperimenta galamērķa, sasniedzot vidējos rādītājus". in vitro eksperimentu precizitāte”.