Utilizando Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) para desarrollar herramientas de diagnóstico

Soy U De Mercy, soy el investigador principal de Bio Stick MAMs en Medicine Labs. Hice mi doctorado en ingeniería eléctrica en la Universidad de Stanford. Hice un postdoctorado en la Escuela de Medicina de Harvard en MGH trabajando en MAM bioacústicos o principalmente bio MA.

Y ahora continúo como docente en la Facultad de Medicina de Harvard, en el MIT de Harvard, Ciencias de la Salud y Tecnología. Y continuando con mi investigación que disfruto mucho. El trabajo que realicé durante mi doctorado estuvo muy relacionado con las gotas y el uso de la acústica para generar gotas de tamaño preciso y controlar su ubicación y posición para depositar polímeros muy sensibles.

Ahora aplicamos tecnologías similares para encapsular células en gotas y luego colocarlas en las superficies para diversas aplicaciones en ingeniería de tejidos para imprimir células en las superficies para modelar células. Además, hay aplicaciones en las que se quiere ver que se pueden encapsular pocas células o una sola célula o de la misma población y ver las diferencias entre la misma población de una célula a otra, el hecho de poder encapsular células en gotas a altas tasas de rendimiento, como 10.000 células por segundo, se vuelve muy importante y muy útil para comprender los problemas biológicos. Así que mi investigación actualmente tiene dos patas, diría yo.

Uno es este trabajo de encapsulación celular del que acabo de hablar. ¿Cómo empaquetamos una célula en una gota y cómo podemos hacer esto de manera repetida y confiable y sin dañar las células? Por lo tanto, después de que la célula es expulsada o encapsulada en la gota, deberíamos ser capaces de localizar con precisión en una superficie la célula debería ser funcional, viva y viable.

No debería verse perjudicado por los efectos de la eyección, etc. Así que actualmente tenemos un sistema en el que utilizamos ondas acústicas enfocadas en gotas para generar estas gotas a partir de piscinas abiertas donde podemos encapsular hasta células individuales en estas gotas realmente pequeñas que son comparables al tamaño de la célula. Eso es muy emocionante en términos de aplicar esto a la impresión celular y la ingeniería de tejidos.

El otro lado de mi investigación es, de nuevo, el uso de estas tecnologías de sistemas microelectromecánicos de MAMs para desarrollar herramientas de diagnóstico de bajo costo. En su mayoría, esta investigación utiliza enfoques microfluídicos en los que podemos introducir sangre entera, volúmenes muy pequeños como la sangre de un pinchazo en el dedo, menos de 10 microlitros que se pueden introducir en un chip. Y a partir de esa sangre podemos encapsular o capturar ciertas poblaciones subcelulares de sangre completa.

¿Por qué es importante? ¿Por qué debería ser barato para las aplicaciones de salud global? En la cima de la montaña en África, se quiere ser capaz de saber para un paciente con VIH, por ejemplo, cuántos linfocitos T CD 4 tiene este paciente. Debido a que la Organización Mundial de la Salud dice que por debajo de 200 CD cuatro células por microlitro, hay que empezar a tratar a los pacientes En el mundo desarrollado, se utilizan cientos de miles de dólares de citómetros de flujo vertical para poder obtener estos datos.

Y, por supuesto, se necesita tiempo para usar y habilidad, por supuesto, para poder usarlas como máquinas de mesa enormes. Nuestro pequeño chip se puede introducir en este pequeño ladrillo de dedo de 10 microlitros de sangre entera y capturará las cuatro células CD utilizando las afinidades de las proteínas de la superficie. Y luego se pueden contar rápidamente estas células que se capturan porque se sabe que hay células CD cuatro que están unidas a las proteínas CD cuatro, anticuerpos en la superficie del chip.

Al controlar los caudales y el cizallamiento, puede asegurarse de que se optimicen la especificidad y la eficiencia de estos tipos de celdas. Y, por supuesto, siempre hay un enlace no específico, pero con nuestros enfoques puros minimizamos estos efectos y nos aseguramos de que entre más menos 10% de errores, lo que es suficiente para tomar una decisión diagnóstica o pronóstica en la cima de la montaña en África. Entonces, esto tiene aplicaciones interesantes para la salud mundial, así como estas técnicas de bajo costo que son desechables pueden impactar en el mundo desarrollado porque ahora estas pruebas de sangre rápidas, que son realmente de bajo costo, pueden impactar las pruebas que usamos en el mundo desarrollado.

Si están optimizados a niveles más altos de eficiencia y especificidad, que nuestros datos iniciales muestran que pueden ser, entonces definitivamente tendrá un impacto en nuestras vidas. Cuando terminé mi doctorado, sabía más sobre microfluídica y eso en los MAM, más que cualquier otra cosa que pudiera ver, especialmente con la aplicación de gotas, pude ver que si podía imprimir células y encapsular células o manipular las pocas células, células individuales, tendría grandes aplicaciones en el área de la biotecnología. Y estaba muy interesado en trabajar en cosas que realmente impactarían la vida de las personas.

Solía aplicar estas tecnologías a la industria de los semiconductores, pero luego quise ser útil directamente a las personas. Así que yo, eso es lo que me dirigió hacia los problemas en la atención médica. Y luego es por eso que hice un gran cambio y vine a un hospital, un hospital general masivo para el posdoctorado.

Y ahí, ya sabes, me expuse cada vez más a los problemas y parece, y está todo claro, que uno de los mayores problemas del mundo hoy en día es la salud global y vienen enfermedades como la tuberculosis, el VIH que mata a miles de personas por día. Y estas personas mueren no porque no estén los medicamentos, sino porque no hay suficientes herramientas de diagnóstico, que son mucho más caras que los medicamentos existentes. Así que conozco muy bien el lado tecnológico de las cosas.

Me expuse a los problemas biológicos y cuanto más aprendía sobre ellos, más podía ver que podía tener un impacto. Y así es como todo creció a partir de ahí. Y todavía continúa ahora.

Como he visto, la biotecnología y la medicina hay muchos problemas que en realidad causan directamente nuestra salida en la pérdida de vidas de personas y las tecnologías, el aspecto tecnológico de la misma y poder aplicarlo a problemas médicos del mundo real es un gran camino a seguir. Esto es cómo toda esta área de la biotecnología creo que está creciendo y se está volviendo muy impactante. Si lo piensas, el VIH, el cáncer, son las grandes causas de muerte en el mundo.

Y las microtecnologías actuales, los enfoques actuales, podrían beneficiarse de la detección temprana del cáncer mediante la captura de estas células de la sangre o hacerla realmente barata, lo que la pondrá a disposición de las masas. Entonces, al juntarse todas estas cosas, creo que todas estas aplicaciones de la microtecnología en la atención médica podrían impactar el futuro de los seres humanos. Así es como todas estas cosas se unen, supongo.

Y estar en el MIT, ciencias de la salud y tecnología de Harvard, donde en un extremo tienes la tecnología y en el otro extremo tienes el aspecto directo, el acceso directo a los pacientes, el acceso directo a los médicos en el Hospital Brigham and Women's, donde trabajo, es un gran entorno. porque cada persona con la que hablas tiene sus problemas y podrías tal vez provenga de un entorno diferente, proporcionar soluciones interesantes a los problemas existentes en el mundo real. Así que creo que así es como veo toda la perspectiva de cómo estos problemas médicos se encuentran con el lado de la tecnología.

Y tratamos de impactar la vida de las personas de una manera positiva. En la encapsulación de casquillo de una sola célula o en la encapsulación de células, el principal reto es ser capaz de encapsular de forma fiable y repetible células individuales. Así que estás expulsando 10.000 cien mil células por segundo.

¿Y cómo te aseguras de que cada gota que expulsas tenga una sola célula? Estas estadísticas en las que se cambia el tamaño de la gota y se minimiza, optimizando el tamaño de la celda sobre el tamaño de la gota, lo que entra en el viejo problema de empaquetar esferas en un volumen y cuál es la forma más eficiente de hacerlo. Así que ese es el mayor desafío en el área de impresión celular desde el punto de vista tecnológico.

El otro aspecto de esto es que ahora puedes decir imprimir y localizar con precisión estas celdas. ¿Cómo se pueden generar estos tejidos tridimensionales y cómo se pueden mantener vivos y cómo se pueden trasplantar? Entra en el extremo biológico de los problemas, en el que se quiere imitar exactamente el tejido.

Tenemos enfoques actuales para poder imprimir un ojal, un ojal de páncreas, y poder imprimir utilizando células musculares lisas, un tejido de la vejiga, imitando directamente lo que hay en la vejiga humana o roja para que luego podamos hacer este tejido y probar qué tan bien funciona en comparación con los tejidos nativos existentes en el mundo real. Así que ese es el mayor desafío, supongo que al tomar estas tecnologías novedosas, cómo se puede hacer que este sea el tejido ideal que se pueda reemplazar, que se pueda trasplantar, ese es el mayor problema desde el principio porque el control de una sola célula te da la capacidad de localizarlas con precisión. Y luego, ¿cómo lo haces crecer a partir de ahí?

Así que es algo trasplantable allí donde viene el impacto de la vida humana. En ese sentido, los desafíos en el lado de la ingeniería de tejidos en la encapsulación del sur y en el diagnóstico mediante microfluídica, el desafío es poder capturar una célula de miles de millones de células. Es como si tuvieras una partícula de azúcar en una lata de sal y estuvieras tratando de sacar esa partícula de azúcar y eso es como una en mil millones.

Así que estás procesando microlitros a mililitros de sangre entera y quieres ser capaz de manera específica y eficiente sin ningún problema tecnológico como la obstrucción o cualquier problema biológico como la unión no específica, quieres ser capaz de aislar una célula de mil millones de células en un microlitro de sangre completa, tienes unos pocos millones de células. Y para el caso de linfocitos T CD cuatro en ese microlitro, buscamos alrededor de mil células por microlitro. Así que es como una célula entre mil, una especie de problema en el que hemos demostrado que es factible.

Pero cuando se quiere ir tras las células tumorales circulantes para el cáncer, entonces el desafío se convierte en uno en mil millones. Entonces, para resumirlo, el desafío es ¿cómo capturamos esta célula entre miles de millones de otras células a su alrededor? ¿Y cuáles son los aspectos tecnológicos?

¿Cuáles son los caudales? ¿Cuál es el diseño del dispositivo? ¿Qué, cuáles son los caudales?

¿Cuáles son los volúmenes de sangre que hay que procesar y cómo te aseguras de que las células que capturas son las que realmente querías capturar? Todos estos aspectos formaron todo el desafío que se puede resumir en una frase, que es ¿cómo capturar esta célula rara entre mil millones de otras? Así que es realmente una aguja en un pajar, lo cual es emocionante.

Y creo que esto está haciendo avanzar las tecnologías para abordar estos problemas es el desafío tecnológico actual. Ser capaz de llevarlos a un nivel en el que hagan el trabajo que se supone que deben hacer es una cosa. Y luego llevarlo a la clínica y convertirlo en un producto tiene toda una experiencia diferente, como poder iniciar una empresa, poder patentar estas cosas y todos esos otros aspectos entran en escena.

Y creo que nosotros, como científicos, principalmente no tenemos todas esas habilidades que llevan los productos del escritorio a los productos. Así que ahí entra de nuevo la importancia de las colaboraciones con personas que tienen diferentes orígenes. Y hay muchas tecnologías que creo que podrían ser muy impactantes y útiles.

A veces no llegan a la clínica o al uso de la humanidad, ya sea porque simplemente no sucedió, no era el momento adecuado u otros efectos entraron en escena de los que acabo de hablar. O a veces no hay un enlace directo que no se pueda ver de que la tecnología realmente podría resolver ese problema. Y la persona que se ocupa del problema, o digamos los biólogos o la gente de medicina, están acostumbrados a hacerlo de una manera durante muchos años.

Y la gente del lado de la tecnología, sobre todo si no se centra en la biotecnología, no es consciente de los problemas de la medicina. Por lo tanto, unir estos dos lados es una investigación interdisciplinaria seria. Y creo que en los últimos años, todo el énfasis, tanto a nivel de los NIH como en los laboratorios de investigación y las universidades, es generar investigación interdisciplinaria.

Así que las personas terminan obteniendo doctorados en los que tienen que conocer múltiples campos. Por ejemplo, para mi doctorado, tenía que saber acústica, tenía que saber mems, tenía que saber microfluídica y tenía que aplicar esto para los polímeros. Así que ahora ves una especie de conocimiento muy profundo en un campo en el que tenías que conocer bastante bien otros tres campos para poder resolver ese problema.

Así que creo que la respuesta está en la investigación interdisciplinaria combinada con personas con habilidades comerciales para que esté disponible para el uso de las personas, es un proceso completamente grande y algunas ineficiencias que se presentan en ciertos lugares. Causa ese bajo porcentaje de transferencia de tecnología.