Biologinen tutkimustyökalu - Mikroneulajärjestelmät: tarkkuusskalpeli in vivo -tunnistuksessa ja -interventiossa

Biologinen tutkimustyökalu - mikroneulajärjestelmät: tarkkuusveitsen in vivo - havaitseminen ja interventio
Integroidut mikroneulasirut + reaaliaikainen-seuranta ja minimaalisesti invasiivinen interventio
Biotieteiden tutkimuksen kärjessä oleva mikroneulateknologia on kehittynyt yksinkertaisesta toimitustyökalusta monikäyttöiseksi integroiduksi alustaksi. Nämä millimetrin-mittakaavaiset tarkkuuslaitteet tekevät nyt "minimiinvasiivisia leikkauksia" eläville biologisille näytteille, jotka aiemmin vaativat monimutkaisia ​​instrumentteja, tarjoten ennennäkemättömän spatiotemporaalisen resoluution ikkunan elämänprosessien ymmärtämiseen.
Teknologisen integraation monimutkaisuus määrittelee uuden sukupolven tutkimustyökalut. Yksi-funktion perusmikroneulat on päivitetty neljään integroituun järjestelmään: tunnistusmikroneulat (integroidut biosensorit), stimuloivat mikroneulat (integroidut mikroelektrodit), näytteenottomikroneulat (integroidut mikrokanavat) ja multimodaaliset mikroneulat (yllä olevien toimintojen yhdistelmä). Edistyksellisin "elin-on-a-chip interface microneedle array" integroi 64 itsenäisesti osoitettavaa mikroneulaa 4 × 4 mm:n sirulle, joista jokainen sisältää mikrokanavan (reagenssin syöttöä varten), elektrodin (sähköisten signaalien tallentamiseen) ja optisen ikkunan (fluoresenssin monienkestoiseen{{{im){0}näyttöön. in vitro -mallien, kuten organoidien ja kudosviipaleiden, seuranta.
Reaaliaikainen{0}}seuranta on saavuttanut merkittäviä tuloksia aineenvaihduntatutkimuksen alalla. Perinteinen aineenvaihduntatuotteiden havaitseminen perustuu ajoittaiseen verinäytteenottoon, mikä menettää kineettistä tietoa. Istutettavat glukoosimikroneula-anturit voivat seurata jatkuvasti interstitiaalisen nesteen glukoosipitoisuutta 1 minuutin aikaresoluutiolla, mikä korvaa 80 % sormenpään verinäytteiden tarpeesta. Edistyneempi tutkimus yhdistää mikroneulat ja massaspektrometriset anturit - neulan kärjet on päällystetty kiinteän-faasin mikrouuttomateriaaleilla, jotka adsorboivat pienimolekyyliset metaboliitit kudokseen viemisen jälkeen, ja ne voidaan analysoida suoraan massaspektrometrialla reaaliaikaisten -metabolisten sormenjälkien saamiseksi kasvaimen mikroenviruksesta. Parkinsonin taudin mallissa tämä tekniikka vangitsi onnistuneesti dopamiinipitoisuuden dynaamisen värähtelyn levodopan annon jälkeen, mikä tarjoaa suoraa näyttöä annostusohjelman optimoinnista.
Neurotieteen minimaalisesti invasiiviset interventiot murtautuvat teknisten pullonkaulojen läpi. Deep brain stimulation (DBS) Parkinsonin taudin hoitoon vaatii kraniotomiaa elektrodien istutusta varten, mikä on erittäin riskialtista. Joustavat mikroelektrodiryhmät implantoidaan pienen luureiän läpi, jota ohjaa mikroneulaohjain, jonka halkaisija on vain 150 μm. Implantoinnin jälkeen ne vastaavat aivokudoksen moduulia, mikä vähentää immuunivastetta 90%. Optogeneettisissä sovelluksissa ontot mikroneulat toimivat "optisen kuidun mikroneuloina" ohjaamaan valoa syvälle aivojen alueille, samalla kun ne kuljettavat virusvektoreita mikrokanavien kautta tiettyjen hermosolujen tarkkaan ohjaamiseen. Viimeisin läpimurto on "kemo-optogeneettinen mikroneula", jonka kärkeen on integroitu kevyt-kontrolloidusti lääkettä vapauttava kalvo. Kun se altistuu siniselle valolle, se vapauttaa välittäjäaineita, mikä saavuttaa millisekunnin{10}}aikatarkkuuden hermopiirien ohjauksessa, mikä ei ole saavutettavissa perinteisillä perfuusiojärjestelmillä.
Yhden solun{0}}analyysi on saavuttanut uuden tarkkuustason. Perinteinen yhden-solun sekvensointi vaatii kudosten dissosiaatiota, mikä johtaa paikkatiedon menettämiseen. Mikro-neulanäytteenottotekniikka voi kerätä yksittäisten solujen sytoplasmisen sisällön in situ elävistä eläimistä. Neulan kärjen halkaisija on 1 μm, ja sen pinta-muokattu solukalvoon-tunkeutuvilla peptideillä. Läpäistyään solukalvon se absorboi noin 1 pL sytoplasmaa kapillaaritoiminnan kautta ja siirtää sitten näytteen mikrofluidisirulle yksittäisen-solun RNA-sekvensointia varten. Hiiren aivokuoren tutkimuksessa tämä tekniikka kartoitti onnistuneesti hermosolujen reaaliaikaiset transkriptiomuutokset spatiaalisen kontekstuaalisen muistin muodostumisen aikana ja havaitsi ensimmäistä kertaa muistiin liittyvien geenien dynaamisen ilmentymisen in vivo -tasolla.
Kasvaintutkimussovellukset ovat saavuttaneet harppauksen kuvauksesta manipulaatioon. Perinteisillä kasvainmalleilla on vaikeuksia simuloida lääkkeiden kolmiulotteista tunkeutumista kudoksiin. Mikro-neulajärjestelmät voivat luoda "keinotekoisen verisuoniverkoston", jossa on 128 onttoa mikro-neulaa, jotka työnnetään kasvainkudoksiin, ja kunkin neulankärjen virtausnopeutta ohjataan mikrofluidijärjestelmällä, joka simuloi perfuusioeroja eri vaskulaarisilla alueilla. Rintasyövän mallissa tämä alusta ennusti onnistuneesti doksorubisiinin pitoisuusgradientin nekroottisen ytimen ja proliferatiivisen marginaalin alueilla korrelaation ollessa 0,91 in vivo PET{8}}CT-tulosten kanssa. Vielä radikaalimpi sovellus on "mikro-neulaimmunoterapia" - ladata PD-1-vasta-aineita ja STING-agonisteja neulankärkiin ja ruiskuttaa ne suoraan kasvaimeen, jolloin saavutetaan paikallinen lääkepitoisuus 1 000-kertaisesti suonensisäiseen antoon verrattuna ja systeemiset sivuvaikutukset vähenevät 95 %. Melanoomamallissa täydellinen vasteprosentti nousi 35 prosentista 78 prosenttiin.
Valmistusprosessien innovaatiot ovat tukeneet näitä monimutkaisia ​​toimintoja. Mikro-neularakenteiden monimutkaisuus on lisääntynyt merkittävästi varhaisesta pii-mikrovalmistuksesta nykypäivän polymeerien monikerroksiseen litografiaan. Kehittynein "mikro-neulajärjestelmä--sirulla" käyttää 8-kerroksista SU-8 fotoresistipinoa kolmiulotteisen kanavaverkon muodostamiseksi. Kärjen muokkaustekniikat ovat myös erilaisia: sähkökemiallinen saostus muodostaa nano-monikerroksisen kullan kärjessä parantamaan Raman-signaaleja; atomikerrospinnoitus kietoo sinkkioksidin kärjen päälle valoohjatun lääkkeen vapautumisen saavuttamiseksi; DNA-origami kokoaa "älykkäät logiikkaportit" kärkeen vapauttaen lääkkeitä vastauksena tiettyihin mikroRNA-yhdistelmiin.
Teollisuuden ekosysteemi on muotoutumassa erikoistuneiden divisioonien myötä. Yläjuoksu koostuu mikro-nanoprosessointivalimoista (kuten TSMC:n MEMS-tuotantolinjasta), keskivirran miehittää funktionalisointiyritykset (harjoittavat pinnan modifiointia ja bio-konjugaatiota) ja loppupäässä ovat instrumenttiyritykset (integroituvat kaupallisiin laitteisiin). Tehokkaan-lääkeseulontajärjestelmän, joka yhdistää mikro-neulanäytteenoton ja online-massaspektrometrian analyysin, hinta on pudonnut miljoonasta-dollarin vaihteluvälistä 300 000 dollariin, joten se on keskikokoisten-laboratorioiden käytettävissä. Seuraavien viiden vuoden aikana automaation tason noustessa mikroneulojen tutkimusalustat siirtyvät asiantuntijaräätälöimisestä standardoituihin tuotteisiin. On ennustettu, että kolmella suurella neurotieteen, kasvainimmunologian ja aineenvaihduntasairauksien alalla mikroneulateknologian tunkeutumisaste nousee nykyisestä 15 %:sta 45 %:iin, mikä vie biotieteiden tutkimuksen uudelle aikakaudelle, jossa "yksisoluinen spatiotemporaalinen dynamiikka" muodostuu lopullisesti "populaatioiden keskiarvojen" saavuttamisesta. in vitro -kokeiden tarkkuus".