Narzędzie do badań biologicznych - Układy mikroigieł: precyzyjny skalpel w wykrywaniu i interwencji in vivo

Biologiczne narzędzie badawcze - układy mikroigieł: precyzyjny skalpel w wykrywaniu i interwencji in vivo
Zintegrowane chipy mikroigłowe + monitorowanie-w czasie rzeczywistym i minimalnie inwazyjna interwencja
Będąca najnowocześniejszymi badaniami w dziedzinie nauk przyrodniczych, technologia mikroigieł ewoluowała od prostego narzędzia dostarczania do wielofunkcyjnej zintegrowanej platformy. Te precyzyjne urządzenia w skali milimetrowej- wykonują obecnie „minimalnie inwazyjne operacje” na żywych próbkach biologicznych, które wcześniej wymagały skomplikowanych instrumentów, zapewniając niespotykaną wcześniej rozdzielczość czasoprzestrzenną pozwalającą na zrozumienie procesów życiowych.
Złożoność integracji technologicznej definiuje nową generację narzędzi badawczych. Podstawowe mikroigły-z jedną funkcją zostały zmodernizowane do czterech zintegrowanych systemów: mikroigły wykrywające (zintegrowane biosensory), mikroigły stymulujące (zintegrowane mikroelektrody), mikroigły pobierające próbki (zintegrowane mikrokanały) i mikroigły multimodalne (połączenie powyższych funkcji). Najbardziej zaawansowany „organ-na-interfejsie mikroigieł” zawiera 64 niezależnie adresowalne mikroigły na chipie o wymiarach 4 × 4 mm, przy czym każdy korpus igły zawiera mikrokanał (do dostarczania odczynnika), elektrodę (do rejestrowania sygnałów elektrycznych) i okno optyczne (do wykrywania fluorescencji), umożliwiając długoterminowe-wielo-wymiarowe monitorowanie modeli in vitro, takich jak organoidy i wycinki tkanek.
Monitorowanie w czasie rzeczywistym-przyniosło niezwykłe wyniki w dziedzinie badań metabolicznych. Tradycyjne wykrywanie metabolitów opiera się na okresowym pobieraniu próbek krwi, co powoduje utratę informacji kinetycznych. Wszczepialne czujniki mikroigłowe glukozy mogą w sposób ciągły monitorować stężenie glukozy w płynie śródmiąższowym z rozdzielczością czasową 1 minuty, zastępując w 80% potrzebę pobierania próbek krwi z palca. Bardziej zaawansowane badania łączą mikroigły z sondami spektrometrii masowej - końcówki igieł są pokryte-materiałami do mikroekstrakcji do fazy stałej, które adsorbują małocząsteczkowe metabolity po wprowadzeniu do tkanki i można je bezpośrednio analizować za pomocą spektrometrii mas w celu uzyskania-odcisków metabolicznych w czasie rzeczywistym w mikrośrodowisku nowotworu. W modelu choroby Parkinsona technologia ta z powodzeniem uchwyciła dynamiczne wahania stężenia dopaminy po podaniu lewodopy, dostarczając bezpośrednich dowodów na optymalizację schematu dawkowania.
Minimalnie inwazyjne interwencje w neurobiologii przełamują techniczne wąskie gardła. Głęboka stymulacja mózgu (DBS) w leczeniu choroby Parkinsona wymaga kraniotomii w celu wszczepienia elektrody, co jest bardzo ryzykowne. Elastyczne układy mikroelektrod wszczepia się przez mały otwór w kości prowadzony przez prowadnicę mikroigłową o średnicy zaledwie 150 µm. Po wszczepieniu dopasowują się do modułu tkanki mózgowej, zmniejszając odpowiedź immunologiczną o 90%. W zastosowaniach optogenetycznych puste w środku mikroigły działają jak „mikroigły światłowodowe”, kierując światło do głębokich obszarów mózgu, jednocześnie dostarczając wektory wirusowe przez mikrokanały w celu precyzyjnej kontroli określonych typów neuronów. Najnowszym przełomem jest „mikroigła chemo-optogenetyczna”, która na końcu zawiera membranę uwalniającą lek-kontrolowaną światłem. Pod wpływem niebieskiego światła uwalnia neuroprzekaźniki, osiągając precyzję czasową na poziomie milisekund-w kontrolowaniu obwodów nerwowych, co jest osiągnięciem nieosiągalnym w przypadku tradycyjnych systemów perfuzyjnych.
Analiza pojedynczych-komórek osiągnęła nowy poziom precyzji. Tradycyjne sekwencjonowanie pojedynczych-komórek wymaga dysocjacji tkanki, co prowadzi do utraty informacji przestrzennej. Technika pobierania próbek-mikroigłowych umożliwia pobranie zawartości cytoplazmatycznej poszczególnych komórek in situ od żywych zwierząt. Końcówka igły ma średnicę 1 μm i jest-modyfikowana powierzchniowo peptydami-przenikającymi błonę komórkową. Po przeniknięciu przez błonę komórkową absorbuje około 1 µl cytoplazmy poprzez działanie kapilarne, a następnie przenosi próbkę do chipa mikroprzepływowego w celu sekwencjonowania RNA pojedynczej-komórkowej. W badaniu kory mózgowej myszy za pomocą tej techniki z powodzeniem zmapowano-zmiany transkryptomu neuronów w czasie rzeczywistym podczas tworzenia przestrzennej pamięci kontekstowej i po raz pierwszy zaobserwowano dynamiczną ekspresję genów związanych z kodowaniem pamięci-na poziomie in vivo.
Zastosowania do badań nad nowotworami osiągnęły skok od opisu do manipulacji. Tradycyjne modele nowotworów mają trudności z symulacją-3wymiarowej penetracji leków w tkankach. Zestawy mikro-igieł mogą tworzyć „sztuczną sieć naczyniową” składającą się ze 128 pustych w środku mikro-igieł wprowadzonych do tkanki nowotworowej, a natężenie przepływu każdej końcówki igły jest kontrolowane przez układ mikroprzepływowy w celu symulacji różnic perfuzji w różnych obszarach naczyniowych. W modelu raka piersi platforma ta z powodzeniem przewidziała gradient stężenia doksorubicyny w obszarach rdzenia martwiczego i marginesu proliferacyjnego, z korelacją wynoszącą 0,91 z wynikami badania PET-CT in vivo. Jeszcze bardziej radykalnym zastosowaniem jest „immunoterapia mikro{10}}igłowa” - polegająca na załadowaniu na końcówki igieł przeciwciał PD-1 i agonistów STING i bezpośrednim wstrzyknięciu ich do guza, co pozwala uzyskać miejscowe stężenie leku 1000 razy większe niż po podaniu dożylnym i zmniejszyć ogólnoustrojowe skutki uboczne o 95%. W modelu czerniaka odsetek całkowitej odpowiedzi wzrósł z 35% do 78%.
Innowacje w procesach produkcyjnych wspierają te złożone funkcje. Od wczesnej mikrofabrykacji-na bazie krzemu po dzisiejszą wielowarstwową litografię polimerową, złożoność struktur mikro-igieł znacznie wzrosła. Najbardziej wyrafinowany „system mikro-igieł-na-chipie” wykorzystuje 8-warstwowy stos fotomaski SU-8, tworząc-trójwymiarową sieć kanałów. Techniki modyfikacji końcówek są również różnorodne: osadzanie elektrochemiczne tworzy na końcówce nanowielowarstwową warstwę złota, która wzmacnia sygnały Ramana; osadzanie warstwy atomowej otacza tlenek cynku na końcówce, aby uzyskać kontrolowane przez światło uwalnianie leku; Origami DNA składa się z „inteligentnych bramek logicznych” na czubku, uwalniających leki w odpowiedzi na określone kombinacje mikroRNA.
Ekosystem przemysłowy nabiera kształtu dzięki wyspecjalizowanym oddziałom. Część wyższego szczebla składa się z odlewni przetwarzających mikro-nano (takich jak linia produkcyjna MEMS firmy TSMC), część środkową zajmują firmy funkcjonalizujące (zajmujące się modyfikacją powierzchni i bio-koniugacją), a część dolną zajmują firmy produkujące instrumenty (integrujące ze sprzętem komercyjnym). Cena-wysokoprzepustowego systemu badań przesiewowych leków, który integruje pobieranie próbek mikro{5}}igłowych i analizę spektrometrii mas online, spadła z zakresu milionów-do 300 000 dolarów, dzięki czemu jest dostępny dla laboratoriów- średniej wielkości. W ciągu najbliższych pięciu lat, wraz ze wzrostem poziomu automatyzacji, platformy badawcze-mikroigłowe przejdą od dostosowywania przez ekspertów do produktów standardowych. Przewiduje się, że w trzech głównych dziedzinach: neurologii, immunologii nowotworów i chorób metabolicznych stopień penetracji technologii mikro-igłowej wzrośnie z obecnych 15% do 45%, napędzając badania z zakresu nauk przyrodniczych w nową erę „dynamiki czasoprzestrzennej-pojedynczej komórki” na podstawie „średnich populacji”, ostatecznie osiągając ostateczny cel, jakim jest „przeprowadzanie eksperymentów in vivo z precyzją eksperymentów in vitro”.