Orodje za biološke raziskave - Microneedle Arrays: Natančni skalpel pri odkrivanju in posredovanju in vivo

Orodje za biološke raziskave - nizi mikroiglic: natančni skalpel pri odkrivanju in posegu in vivo
Integrirani čipi z mikroiglicami + spremljanje-v realnem času in minimalno invazivna intervencija
Na vrhuncu raziskav znanosti o življenju se je tehnologija mikroigel razvila iz preprostega orodja za dostavo v večnamensko integrirano platformo. Te naprave z natančnostjo v milimetrskem- merilu zdaj izvajajo "minimalno invazivne operacije" na živih bioloških vzorcih, ki so prej zahtevali zapletene instrumente, in zagotavljajo prostorsko-časovno ločljivost brez primere za razumevanje življenjskih procesov.
Kompleksnost tehnološke integracije opredeljuje novo generacijo raziskovalnih orodij. Osnovne eno{1}}funkcijske mikroigle so bile nadgrajene v štiri integrirane sisteme: zaznavne mikroigle (integrirani biosenzorji), stimulacijske mikroigle (integrirane mikroelektrode), mikroigle za vzorčenje (integrirani mikrokanali) in multimodalne mikroigle (kombinacija zgornjih funkcij). Najnaprednejši niz mikroigel z vmesnikom organ-na--čipu« združuje 64 neodvisno naslovljivih mikroigel na čipu 4×4 mm, pri čemer vsako telo igle vsebuje mikrokanal (za dovajanje reagenta), elektrodo (za snemanje električnih signalov) in optično okno (za zaznavanje fluorescence), kar omogoča dolgoročno- več{10}}dimenzionalno spremljanje in vitro modelov, kot so organoidi in rezine tkiva.
Spremljanje-v realnem času je doseglo izjemne rezultate na področju presnovnih raziskav. Tradicionalno odkrivanje metabolitov temelji na občasnem vzorčenju krvi, pri čemer se izgubijo kinetične informacije. Implantabilni senzorji za glukozo z mikroiglicami lahko neprekinjeno spremljajo koncentracijo glukoze v intersticijski tekočini s časovno ločljivostjo 1 minute, kar nadomesti 80 % potrebe po vzorčenju krvi s konice prsta. Naprednejše raziskave združujejo mikroigle s sondami masne spektrometrije - konice igel so prevlečene z materiali za mikroekstrakcijo v trdni-fazi, ki po vstavitvi v tkivo adsorbirajo metabolite majhnih molekul in jih je mogoče neposredno analizirati z masno spektrometrijo, da dobimo presnovne prstne odtise v realnem-času v tumorskem mikrookolju. V modelu Parkinsonove bolezni je ta tehnologija uspešno zajela dinamično nihanje koncentracije dopamina po dajanju levodope in zagotovila neposredne dokaze za optimizacijo režima odmerjanja.
Minimalno invazivni posegi v nevroznanosti prebijajo tehnična ozka grla. Globoka možganska stimulacija (DBS) za zdravljenje Parkinsonove bolezni zahteva kraniotomijo za implantacijo elektrode, kar je zelo tvegano. Prilagodljivi nizi mikroelektrod se implantirajo skozi majhno kostno luknjo, ki jo vodi vodilo mikroigle s premerom le 150 μm. Po implantaciji se ujemajo z modulom možganskega tkiva, kar zmanjša imunski odziv za 90%. V optogenetskih aplikacijah votle mikroigle delujejo kot "mikroigle iz optičnih vlaken" za usmerjanje svetlobe v globoke predele možganov, hkrati pa prenašajo virusne vektorje skozi mikrokanale za natančen nadzor specifičnih vrst nevronov. Najnovejše odkritje je "kemo-optogenetska mikroigla", ki na konici vključuje svetlobno-nadzorovano membrano za sproščanje zdravila. Ko je izpostavljen modri svetlobi, sprosti nevrotransmiterje, s čimer doseže{10}}milisekundno časovno natančnost pri nadzoru nevronskih vezij, kar je nedosegljivo s tradicionalnimi perfuzijskimi sistemi.
Analiza ene-celice je dosegla novo raven natančnosti. Tradicionalno-celično sekvenciranje zahteva disociacijo tkiva, kar povzroči izgubo prostorskih informacij. Tehnika vzorčenja z mikro-iglo lahko zbere vsebino citoplazme posameznih celic in situ iz živih živali. Konica igle ima premer 1 μm in je površinsko-spremenjena s peptidi,-ki prodirajo v celično membrano. Ko prodre skozi celično membrano, absorbira približno 1 pL citoplazme s kapilarnim delovanjem in nato prenese vzorec v mikrofluidni čip za eno{11}}celično sekvenciranje RNA. V študiji možganske skorje miši je ta tehnika uspešno preslikala spremembe-transkriptoma nevronov v realnem času med oblikovanjem prostorskega kontekstualnega spomina in prvič opazila dinamično izražanje spomina, ki kodira-povezane gene na ravni in vivo.
Aplikacije za raziskave tumorjev so dosegle preskok od opisa do manipulacije. Tradicionalni modeli tumorjev težko simulirajo-tridimenzionalno prodiranje zdravil v tkiva. Nizi mikro-igel lahko ustvarijo »umetno žilno mrežo« s 128 votlimi mikro-iglami, vstavljenimi v tumorska tkiva, hitrost pretoka vsake konice igle pa nadzira mikrofluidni sistem za simulacijo razlik v perfuziji v različnih žilnih regijah. V modelu raka dojke je ta platforma uspešno napovedala koncentracijski gradient doksorubicina v regijah nekrotičnega jedra in proliferativnega roba s korelacijo 0,91 z rezultati in vivo PET-CT. Še bolj radikalna aplikacija je »mikro-imunoterapija z iglami« -, ki naloži protitelesa PD-1 in agoniste STING na konice igle in jih neposredno vbrizga v tumor, s čimer se doseže lokalna koncentracija zdravila, ki je 1000-krat večja kot pri intravenskem dajanju, in zmanjšajo sistemske stranske učinke za 95 %. V modelu melanoma se je stopnja popolnega odziva povečala s 35 % na 78 %.
Inovacije v proizvodnih procesih so podprle te kompleksne funkcije. Od zgodnje mikro-izdelave na osnovi silicija do današnje polimerne večplastne litografije se je zapletenost struktur mikro-igel znatno povečala. Najbolj sofisticiran »mikro-sistem igel-na-čipu« uporablja 8-slojni SU-8 fotorezistov, da tvori-tridimenzionalno mrežo kanalov. Tudi tehnike spreminjanja konice so različne: elektrokemično nanašanje tvori nano-večplast zlata na konici za izboljšanje Ramanovih signalov; nanos atomske plasti ovije cinkov oksid na konico, da se doseže svetlobno nadzorovano sproščanje zdravila; DNA origami na konici sestavi "inteligentna logična vrata", ki sproščajo zdravila kot odgovor na specifične kombinacije mikroRNA.
Industrijski ekosistem se oblikuje s specializiranimi oddelki. Navzgor sestavljajo livarne za obdelavo mikro-nano (kot je proizvodna linija MEMS podjetja TSMC), srednji tok zasedajo podjetja za funkcionalizacijo (ki se ukvarjajo s površinsko modifikacijo in bio-konjugacijo), spodnji tok pa naseljujejo podjetja za instrumente (vključujejo se v komercialno opremo). Visok{4}}zmogljiv sistem za pregledovanje zdravil, ki združuje mikro-vzorčenje z iglami in spletno analizo masne spektrometrije, se je znižal z razpona milijona-dolarjev na razpon 300.000 $, zaradi česar je dostopen srednje-velikim laboratorijem. V naslednjih petih letih, ko se stopnja avtomatizacije poveča, se bodo platforme za raziskovanje mikro-igel preusmerile s strokovnega prilagajanja na standardizirane izdelke. Predvideva se, da se bo na treh glavnih področjih nevroznanosti, tumorske imunologije in presnovnih bolezni stopnja prodora tehnologije mikro-igel dvignila s sedanjih 15 % na 45 %, kar bo pognalo raziskave znanosti o življenju v novo dobo »eno{16}}prostorsko-časovne dinamike« od »populacijskih povprečij«, kar bo končno doseglo končni cilj »izvajanje poskusov in vivo z natančnostjo poskusov in vitro«.