Strumento di ricerca biologica - Array di microaghi: il bisturi di precisione per il rilevamento e l'intervento in vivo

Strumento di ricerca biologica - array di microaghi: il bisturi di precisione nel rilevamento e nell'intervento in vivo
Chip con microaghi integrati + monitoraggio-in tempo reale e intervento minimamente invasivo
All’avanguardia nella ricerca sulle scienze della vita, la tecnologia dei microaghi si è evoluta da un semplice strumento di consegna a una piattaforma integrata multifunzionale. Questi dispositivi di precisione su scala-millimetrica ora eseguono "interventi mini-invasivi" su campioni biologici viventi che in precedenza richiedevano strumenti complessi, fornendo una finestra di risoluzione spaziotemporale senza precedenti per comprendere i processi vitali.
La complessità dell’integrazione tecnologica definisce la nuova generazione di strumenti di ricerca. I microaghi di base a funzione singola- sono stati aggiornati a quattro sistemi integrati: microaghi di rilevamento (biosensori integrati), microaghi stimolanti (microelettrodi integrati), microaghi di campionamento (microcanali integrati) e microaghi multimodali (una combinazione delle funzioni di cui sopra). Il più avanzato "array di microaghi con interfaccia organo-su-a-chip" integra 64 microaghi indirizzabili in modo indipendente su un chip da 4×4 mm, ciascun corpo dell'ago contiene un microcanale (per l'erogazione dei reagenti), un elettrodo (per la registrazione di segnali elettrici) e una finestra ottica (per il rilevamento della fluorescenza), consentendo il monitoraggio multi-dimensionale a lungo-termine di modelli in vitro come organoidi e fette di tessuto.
Il monitoraggio in tempo reale- ha ottenuto risultati notevoli nel campo della ricerca metabolica. Il rilevamento tradizionale dei metaboliti si basa sul prelievo di sangue intermittente, che perde informazioni cinetiche. I sensori a microaghi impiantabili per il glucosio possono monitorare continuamente la concentrazione di glucosio nel fluido interstiziale con una risoluzione temporale di 1 minuto, sostituendo l'80% della necessità di prelievo di sangue dal polpastrello. La ricerca più avanzata combina i microaghi con sonde per spettrometria di massa - le punte degli aghi sono rivestite con materiali di microestrazione in fase -solida, che assorbono metaboliti di piccole molecole dopo l'inserimento nel tessuto e possono essere analizzati direttamente mediante spettrometria di massa per ottenere impronte metaboliche in tempo reale-nel microambiente tumorale. In un modello di malattia di Parkinson, questa tecnologia è riuscita a catturare l'oscillazione dinamica della concentrazione di dopamina dopo la somministrazione di levodopa, fornendo prove dirette per ottimizzare il regime di dosaggio.
Gli interventi minimamente invasivi nel campo delle neuroscienze stanno superando i colli di bottiglia tecnici. La stimolazione cerebrale profonda (DBS) per il trattamento del morbo di Parkinson richiede la craniotomia per l'impianto degli elettrodi, il che è altamente rischioso. Gli array flessibili di microelettrodi vengono impiantati attraverso un piccolo foro osseo guidato da una guida a microago, con un diametro di soli 150 μm. Dopo l'impianto, corrispondono al modulo del tessuto cerebrale, riducendo la risposta immunitaria del 90%. Nelle applicazioni optogenetiche, i microaghi cavi agiscono come “microaghi di fibra ottica” per guidare la luce verso le regioni profonde del cervello, fornendo contemporaneamente vettori virali attraverso microcanali per controllare con precisione specifici tipi di neuroni. L'ultima innovazione è il "microago chemio-optogenetico", che integra sulla punta una membrana a rilascio di farmaco controllato dalla luce-. Quando esposto alla luce blu, rilascia neurotrasmettitori, raggiungendo una precisione temporale di livello millisecondo-nel controllo dei circuiti neurali, un'impresa irraggiungibile con i tradizionali sistemi di perfusione.
L'analisi-di una singola cella ha raggiunto un nuovo livello di precisione. Il sequenziamento tradizionale di singole cellule- richiede la dissociazione dei tessuti, che porta alla perdita di informazioni spaziali. La tecnica di campionamento con micro-ago può raccogliere il contenuto citoplasmatico di singole cellule in situ da animali vivi. La punta dell'ago ha un diametro di 1 μm ed è modificata in superficie-con peptidi che penetrano la membrana-cellulare. Dopo essere penetrato nella membrana cellulare, assorbe circa 1 pL di citoplasma attraverso l'azione capillare e quindi trasferisce il campione a un chip microfluidico per il sequenziamento dell'RNA a singola cellula. In uno studio sulla corteccia cerebrale del topo, questa tecnica ha mappato con successo i cambiamenti del trascrittoma in tempo reale dei neuroni durante la formazione della memoria contestuale spaziale e, per la prima volta, ha osservato l'espressione dinamica dei geni correlati alla codifica della memoria a livello in vivo.
Le applicazioni della ricerca sui tumori hanno compiuto un salto dalla descrizione alla manipolazione. I modelli tumorali tradizionali faticano a simulare la penetrazione tridimensionale dei farmaci nei tessuti. Gli array di micro-aghi possono creare una "rete vascolare artificiale", con 128 micro-aghi cavi inseriti nei tessuti tumorali e la velocità del flusso di ciascuna punta dell'ago è controllata da un sistema microfluidico per simulare le differenze di perfusione nelle diverse regioni vascolari. In un modello di cancro al seno, questa piattaforma ha previsto con successo il gradiente di concentrazione della doxorubicina nelle regioni del nucleo necrotico e del margine proliferativo, con una correlazione di 0,91 con i risultati della PET-CT in vivo. Un'applicazione ancora più radicale è la "immunoterapia con micro-aghi" - che carica anticorpi PD-1 e agonisti STING sulle punte degli aghi e li inietta direttamente nel tumore, ottenendo una concentrazione locale del farmaco 1.000 volte quella della somministrazione endovenosa e riducendo gli effetti collaterali sistemici del 95%. In un modello di melanoma, il tasso di risposta completa è aumentato dal 35% al ​​78%.
Le innovazioni nei processi produttivi hanno supportato queste funzioni complesse. Dalla microfabbricazione iniziale basata sul silicio-all'attuale litografia multistrato polimerica, la complessità delle strutture dei micro-aghi è aumentata in modo significativo. Il più sofisticato "sistema micro-ago-su-chip" utilizza uno stack di fotoresist SU-8 strati a 8-8 per formare una rete di canali tridimensionale. Anche le tecniche di modifica della punta sono diverse: la deposizione elettrochimica forma un nano-multistrato d'oro sulla punta per migliorare i segnali Raman; la deposizione di uno strato atomico avvolge l'ossido di zinco sulla punta per ottenere un rilascio del farmaco controllato dalla luce; Gli origami di DNA assemblano "porte logiche intelligenti" sulla punta, rilasciando farmaci in risposta a specifiche combinazioni di microRNA.
L’ecosistema industriale sta prendendo forma con divisioni specializzate. L'upstream è costituito da fonderie di micro-nanoelaborazione (come la linea di produzione MEMS di TSMC), il midstream è occupato da società di funzionalizzazione (impegnate nella modificazione delle superfici e nella bio-coniugazione) e il downstream è popolato da società di strumenti (che si integrano in apparecchiature commerciali). Un sistema di screening farmaceutico ad alta-produttività che integra il campionamento con micro-aghi e l'analisi di spettrometria di massa online ha visto il suo prezzo scendere dalla fascia del milione-dollari alla fascia dei 300.000 dollari, rendendolo accessibile ai laboratori di medie-dimensioni. Nei prossimi cinque anni, con l'aumento dei livelli di automazione, le piattaforme di ricerca sui micro-aghi passeranno dalla personalizzazione avanzata a prodotti standardizzati. Si prevede che nei tre principali campi delle neuroscienze, dell'immunologia dei tumori e delle malattie metaboliche, il tasso di penetrazione della tecnologia dei micro-aghi aumenterà dall'attuale 15% al ​​45%, spingendo la ricerca sulle scienze della vita in una nuova era di "dinamiche spaziotemporali a singola cellula" dalle "medie della popolazione", raggiungendo infine l'obiettivo finale di "eseguire esperimenti in vivo con la precisione degli esperimenti in vitro".