小工具帮助推进医学发现

理解复杂疾病如癌症的进展,科学家们不得不梳理出细胞之间的相互作用在逐步精细尺度的行为——从单个肿瘤细胞在体内的活动,细胞的内部机制。

培养这样的发现,麻省理工学院的机械工程师正在设计工具图像和分析细胞动力学在微观和纳米级。这样的工具,包括微流体、膜技术和超材料,可能会帮助科学家们更好地描述和开发治疗癌症和其他复杂的疾病。

新的医学发现取决于工程进展实时多功能成像和定量分析,说尼古拉斯•方机械工程的副教授。

“我们目前学到的是或多或少的体系结构细胞,和下一层是动态的细胞,”方说,世卫组织正在制定光学传感器照亮各个组件在一个细胞。”细胞像一个城市或大都市:你有交通,信息的流动,和物流的材料,和响应与不同的事件有关。医学需要更精确地看到这些事件的新模式在时间和空间。”

超越自然的材料,

方正在开发新的成像工具从超材料-材料工程展示属性不是通常在自然界中发现。这种材料可以设计为“超级透镜”,弯曲和折射光形象极其微小的物体。例如,方舟子说,今天的最佳成像工具可以捕获单个神经元之间的信号,这可能显示为一个模糊的“羽”神经递质。完美透镜,相反,会让科学家们看到个人神经递质分子在几纳米的规模。这样的敏锐,他说,将允许科学家们识别某些化学发射器与特定疾病直接相关。

超材料也可能帮助科学家操纵细胞在微尺度。方正在探索使用超材料光学天线改进一种称为光遗传学的技术。这种技术,发达国家2005年(由麻省理工学院的Ed Boyden研究的副教授Benesse职业发展教育),涉及基因工程蛋白质反应。使用各种颜色的光,科学家可能控制这些蛋白质的活动或表达研究疾病的进展。然而,研究人员发现,该技术需要大量的光引发反应,破坏蛋白质的兴趣或过热的风险。

为了解决这个问题,方舟子和他的同事们正在寻找超材料设计微型光学接收器,类似于无线电天线。这样的接收器将附加到一个给定的蛋白质,提高其接受光线,从而要求更少的光激活蛋白。这个项目是在它的初期阶段;方舟子说,他的团队正在寻求材料兼容蛋白质和其他生物组织。

细胞分类

麻省理工学院的研究人员也在开发工具进行单个细胞——努力的一部分提供简单、成本效益为某些疾病的诊断工具。罗希特•尼克机械工程的副教授,接近细胞分类从不同的方向。他的实验室制造微流体,或“芯片实验室”,设备——芯片一分钱一样小,有效的细胞,分离出的血液或生物液体样品的兴趣。

尼克的团队采用纳米加工技术,腐蚀小,精确的渠道成小方块的聚合物。通道的安排指导液体,捕获感兴趣的细胞通过细胞,”现象,细胞辊一侧的通道,吸引了一堵墙的表面涂层。设备是一个相对简单的,被动的细胞分选仪,尼克说可能有效地解决材料如白细胞细胞可能迅速识别计算条件如败血症和炎症。

尼克也在开发小和微孔膜刺破。每个毛孔都是几纳米宽,小到足以让单个DNA分子通过。通过电流通过纳米孔,研究者可以测量一个DNA分子的某些特征,如大小和任何额外的蛋白质绑定到它的存在。

这样的膜技术可以大大简化上浆DNA DNA分子和映射的过程,修改,这是理解的关键基因调控和细胞的动力机械,现在一个漫长的过程,涉及昂贵的桌上型仪器。相反,尼克说,纳米孔膜可能是一个更快、更便宜的替代品,并可用于单个DNA分子从DNA扩增步骤的信息。

癌症的一个芯片

研究人员正在研究微流体细胞不仅是一种手段,但作为一种复制整个微尺度生物环境。

“我们使用微流体器官和人体生理学的发展更现实的模型,这样我们可以看看,例如,肿瘤细胞与其他细胞如何在当地环境,”罗杰·卡姆说,塞西尔和艾达绿色特聘教授的生物和机械工程。

卡姆和他的同事们开发了一种微流控芯片,包含微小通道和水库,他们可以种子各种细胞类型。使用设备的集团是研究如何通过身体癌症扩散。癌症会转移性肿瘤细胞从原发肿瘤和交叉通过血管壁进入血液。卡姆正在使用的微流体设计模仿转移过程和识别代理来防止它。

复制血管内壁,卡姆种子一个频道与内皮细胞在芯片内。在相邻的通道,他注入凝胶,模仿人体的细胞外基质。集团可以介绍肿瘤细胞进入凝胶,连同其他化学药剂。在控制设置,他们可以监视肿瘤细胞的行为,和的条件细胞穿透内皮细胞,以进入血管。

“这使我们能够把细胞附近,这样他们就可以互相信号在一个更现实的时尚,“卡姆说。

与传统的癌症筛查技术相比,微流控技术在体内更像自然过程,卡姆说。例如,制药公司倾向于在大批量测试潜在的药物,将药物注入微小,包含肿瘤细胞隔离井。运转良好的测试对于杀死肿瘤的药物,但是不太好确定药物,可以防止转移性疾病。

“我们发现细胞的行为完全不同。当你有一个现实的环境中,细胞与不同的细胞,当细胞在一个三维矩阵,而不是当你有一个细胞类型在一个二维内,刚性表面,”卡姆说。“高通量系统可能错过很多潜在的好药,他们也确定药物后续阶段的测试失败的原因。”

尼克,他与卡姆几个芯片实验室的设计,将这些设备和其他工程工具作为一个关键连接在推动医学的发现,和有效的治疗方法。

“临床医生可能会说,‘我需要知道病人是否有这个疾病或疾病,”生物学家会说,“哦,为了做到这一点,你需要测量分子A, B和C,”和由工程师怎么做,”尼克说。“这是我们的关键作用,桥接。”