Biologický výskumný nástroj - Mikroihličkové polia: Presný skalpel pri detekcii a zásahu in vivo

Nástroj na biologický výskum - mikroihlové polia: presný skalpel pri detekcii a zásahu in vivo
Integrované mikroihličkové čipy + monitorovanie-v reálnom čase a minimálne invazívne zásahy
Technológia mikroihiel, ktorá je špičkou vo výskume v oblasti biologických vied, sa vyvinula z jednoduchého doručovacieho nástroja na multifunkčnú integrovanú platformu. Tieto milimeter-presné zariadenia teraz vykonávajú „minimálne invazívne operácie“ na živých biologických vzorkách, ktoré si predtým vyžadovali zložité prístroje, a poskytujú tak bezprecedentné priestorové rozlíšenie na pochopenie životných procesov.
Zložitosť technologickej integrácie definuje novú generáciu výskumných nástrojov. Základné jedno{1}}funkčné mikroihly boli inovované na štyri integrované systémy: snímacie mikroihly (integrované biosenzory), stimulačné mikroihly (integrované mikroelektródy), vzorkovacie mikroihly (integrované mikrokanály) a multimodálne mikroihly (kombinácia vyššie uvedených funkcií). Najpokročilejšie „orgánové-na--mikroihlovom rozhraní s čipovým rozhraním“ integruje 64 nezávisle adresovateľných mikroihiel na čipe 4×4 mm, pričom každé telo ihly obsahuje mikrokanál (na dodávanie činidla), elektródu (na zaznamenávanie elektrických signálov) a optické okienko (na detekciu fluorescencie), čo umožňuje dlhodobé-termínové a viacrozmerné tkanivové a viacrozmerné modely tkaniva plátky.
Monitorovanie{0} v reálnom čase prinieslo pozoruhodné výsledky v oblasti výskumu metabolizmu. Tradičná detekcia metabolitov sa spolieha na prerušovaný odber krvi, ktorý stráca kinetickú informáciu. Implantovateľné glukózové mikroihlové senzory dokážu nepretržite monitorovať koncentráciu glukózy v intersticiálnej tekutine s časovým rozlíšením 1 minúty, čím nahrádzajú 80 % potreby odberu krvi z prsta. Pokročilejší výskum kombinuje mikroihly so sondami hmotnostnej spektrometrie - hroty ihiel sú potiahnuté pevnými-fázovými mikroextrakčnými materiálmi, ktoré po vložení do tkaniva adsorbujú metabolity s malými molekulami a možno ich priamo analyzovať pomocou hmotnostnej spektrometrie, aby sa získali metabolické odtlačky-v reálnom čase v mikroprostredí nádoru. V modeli Parkinsonovej choroby táto technológia úspešne zachytila ​​dynamickú osciláciu koncentrácie dopamínu po podaní levodopy, čo poskytuje priamy dôkaz pre optimalizáciu dávkovacieho režimu.
Minimálne invazívne intervencie v neurovede prelomia technické prekážky. Hlboká mozgová stimulácia (DBS) na liečbu Parkinsonovej choroby vyžaduje kraniotómiu na implantáciu elektródy, čo je vysoko rizikové. Flexibilné polia mikroelektród sa implantujú cez malý kostný otvor vedený mikroihlovým vedením s priemerom iba 150 μm. Po implantácii zodpovedajú modulu mozgového tkaniva, čím znižujú imunitnú odpoveď o 90 %. V optogenetických aplikáciách duté mikroihly fungujú ako "mikroihly z optických vlákien" na vedenie svetla do hlbokých oblastí mozgu, pričom súčasne dodávajú vírusové vektory cez mikrokanály na presnú kontrolu špecifických typov neurónov. Najnovším prelomom je „chemo-optogenetická mikroihla“, ktorá na špičke integruje ľahkú-membránu s riadeným uvoľňovaním liečiva. Keď je vystavený modrému svetlu, uvoľňuje neurotransmitery, čím dosahuje časovú presnosť na úrovni milisekúnd{10}}v ovládaní nervových obvodov, čo je výkon, ktorý tradičné perfúzne systémy nedosahujú.
Analýza jednotlivých buniek{0} dosiahla novú úroveň presnosti. Tradičné sekvenovanie jednotlivých buniek si vyžaduje tkanivovú disociáciu, čo vedie k strate priestorových informácií. Technika odberu mikro-ihlou môže zbierať cytoplazmatický obsah jednotlivých buniek in situ zo živých zvierat. Špička ihly má priemer 1 μm a je povrchovo -modifikovaná peptidmi prenikajúcimi do bunkovej membrány-. Po preniknutí cez bunkovú membránu absorbuje približne 1 pL cytoplazmy prostredníctvom kapilárneho účinku a potom prenesie vzorku do mikrofluidného čipu na sekvenovanie jednobunkovej RNA. V štúdii mozgovej kôry myši táto technika úspešne zmapovala transkriptómové zmeny neurónov v reálnom{13}}čase počas vytvárania priestorovej kontextovej pamäte a po prvýkrát pozorovala dynamickú expresiu génov súvisiacich s pamäťou{14}} na úrovni in vivo.
Aplikácie výskumu nádorov dosiahli skok od opisu k manipulácii. Tradičné modely nádorov sa snažia simulovať trojrozmerné prenikanie liečiv do tkanív. Mikro-pole ihiel môžu vytvoriť „umelú vaskulárnu sieť“ so 128 dutými mikro{5}}ihlami vloženými do nádorových tkanív a rýchlosť prietoku každého hrotu ihly je riadená mikrofluidným systémom, aby sa simulovali rozdiely v perfúzii v rôznych vaskulárnych oblastiach. V modeli rakoviny prsníka táto platforma úspešne predpovedala koncentračný gradient doxorubicínu v oblasti nekrotického jadra a proliferatívneho okraja s koreláciou 0,91 s výsledkami in vivo PET-CT. Ešte radikálnejšou aplikáciou je „mikro-ihličková imunoterapia“ - nanesenie protilátok PD-1 a agonistov STING na hroty ihiel a ich priame vstreknutie do nádoru, čím sa dosiahne 1000-násobok lokálnej koncentrácie liečiva ako pri intravenóznom podaní a o 95 % sa znížia systémové vedľajšie účinky. V modeli melanómu sa miera kompletnej odpovede zvýšila z 35 % na 78 %.
Inovácie vo výrobných procesoch podporili tieto zložité funkcie. Zložitosť mikro-ihlových štruktúr výrazne vzrástla od skorej mikrovýroby na báze kremíka{1}} až po dnešnú polymérovú viacvrstvovú litografiu. Najsofistikovanejší „mikro-ihlový systém-na-čipe“ používa 8-vrstvu SU-8 fotorezistov na vytvorenie trojrozmernej siete kanálov. Techniky modifikácie hrotu sú tiež rôznorodé: elektrochemická depozícia vytvára nano-mnohovrstvu zlata na hrote na zosilnenie Ramanových signálov; ukladanie atómovej vrstvy obalí špičku oxidu zinočnatého, aby sa dosiahlo svetlo riadené uvoľňovanie liečiva; DNA origami zostavuje na špičke „inteligentné logické brány“ a uvoľňuje liečivá v reakcii na špecifické kombinácie mikroRNA.
Priemyselný ekosystém sa formuje so špecializovanými divíziami. Upstream pozostáva zo zlievarní na mikro-nanospracovanie (ako je výrobná linka MEMS spoločnosti TSMC), stredný prúd je obsadený funkcionalizačnými spoločnosťami (zaoberajúce sa povrchovou úpravou a bio-konjugáciou) a downstream tvoria spoločnosti vyrábajúce prístroje (integrujúce sa do komerčných zariadení). Vysokovýkonný-systém na skríning liekov, ktorý integruje mikro{5}}odber vzoriek ihlou a online hmotnostnú spektrometrickú analýzu, zaznamenal pokles ceny z miliónov-dolárov na 300 000 USD, vďaka čomu je dostupný pre stredne veľké-laboratóriá. V priebehu nasledujúcich piatich rokov sa so zvyšujúcou sa úrovňou automatizácie budú platformy na výskum mikro{11}ihiel presúvať z prispôsobenia odborníkov na štandardizované produkty. Predpokladá sa, že v troch hlavných oblastiach neurovedy, nádorovej imunológie a metabolických chorôb stúpne miera penetrácie mikro-ihlovej technológie zo súčasných 15 % na 45 %, čo posunie výskum v oblasti biologických vied do novej éry „jednobunkovej časopriestorovej dynamiky“ z „populačných priemerov“ a „v konečnom dôsledku dosiahnutia maximálneho výkonu v experimenty“.