ابزار تحقیقات بیولوژیکی - آرایه‌های میکروسوزن: اسکالپل دقیق در تشخیص و مداخله در داخل بدن

ابزار تحقیق بیولوژیکی - آرایه‌های میکروسوزن: چاقوی جراحی دقیق در تشخیص و مداخله در داخل بدن
تراشه های میکروسوزن یکپارچه + نظارت بر زمان واقعی و مداخله کم تهاجمی
در لبه برش تحقیقات علوم زیستی، فناوری میکروسوزن از یک ابزار تحویل ساده به یک پلت فرم یکپارچه چند منظوره تبدیل شده است. این دستگاه‌های دقیق در مقیاس میلی‌متری اکنون در حال انجام «جراحی‌های کم‌تهاجمی» بر روی نمونه‌های زیستی زنده‌ای هستند که قبلاً به ابزار پیچیده‌ای نیاز داشتند و یک پنجره تفکیک مکانی و زمانی بی‌سابقه برای درک فرآیندهای زندگی ارائه می‌دهند.
پیچیدگی یکپارچگی فناوری نسل جدید ابزارهای تحقیقاتی را تعریف می کند. میکروسوزن‌های تک کاره اصلی به چهار سیستم یکپارچه ارتقا یافته‌اند: میکروسوزن‌های حسگر (بیوسنسورهای یکپارچه)، میکروسوزن‌های تحریک‌کننده (ریزالکترودهای یکپارچه)، میکروسوزن‌های نمونه‌برداری (ریزکانال‌های یکپارچه) و میکروسوزن‌های چندوجهی (ترکیبی از عملکردهای فوق). پیشرفته‌ترین «ارگان-روی--آرایه میکروسوزن رابط تراشه» 64 میکروسوزن قابل آدرس‌دهی مستقل را بر روی یک تراشه 4×4 میلی‌متری ادغام می‌کند، هر بدنه سوزن حاوی یک میکروکانال (برای تحویل معرف)، یک الکترود (برای ثبت سیگنال‌های الکتریکی)، و یک پنجره اپتیکال برای تشخیص دراز مدت{9} پایش چند بعدی مدل‌های آزمایشگاهی مانند ارگانوئیدها و برش‌های بافت.
نظارت بر زمان واقعی نتایج قابل توجهی در زمینه تحقیقات متابولیک به دست آورده است. تشخیص متابولیت سنتی به نمونه گیری متناوب خون متکی است که اطلاعات جنبشی را از دست می دهد. حسگرهای میکروسوزن گلوکز قابل کاشت می توانند به طور مداوم غلظت گلوکز مایع بینابینی را با وضوح زمانی 1 دقیقه کنترل کنند و 80 درصد از نیاز به نمونه گیری خون از نوک انگشت را جایگزین کنند. تحقیقات پیشرفته‌تر میکروسوزن‌ها را با پروب‌های طیف‌سنجی جرمی ترکیب می‌کند - نوک سوزن‌ها با مواد میکرواستخراج فاز جامد پوشانده شده‌اند، که متابولیت‌های مولکولی کوچک را پس از وارد کردن به بافت جذب می‌کنند و می‌توانند مستقیماً با طیف‌سنجی جرمی برای به دست آوردن اثرانگشت ریز متابولیک تومور در زمان واقعی-تحلیل شوند. در مدل بیماری پارکینسون، این فناوری با موفقیت نوسان دینامیکی غلظت دوپامین را پس از تجویز لوودوپا ثبت کرد و شواهد مستقیمی برای بهینه‌سازی رژیم دوز ارائه کرد.
مداخلات کم تهاجمی در علوم اعصاب در حال شکستن تنگناهای فنی هستند. تحریک عمیق مغز (DBS) برای درمان بیماری پارکینسون نیاز به کرانیوتومی برای کاشت الکترود دارد که بسیار خطرناک است. آرایه های میکروالکترودی انعطاف پذیر از طریق یک سوراخ استخوانی کوچک که توسط راهنمای میکروسوزن هدایت می شود، با قطر تنها 150 میکرومتر کاشته می شود. پس از کاشت، آنها با مدول بافت مغز مطابقت دارند و پاسخ ایمنی را تا 90٪ کاهش می دهند. در کاربردهای اپتوژنتیک، میکروسوزن‌های توخالی به‌عنوان «ریزسوزن‌های فیبر نوری» عمل می‌کنند تا نور را به نواحی عمیق مغز هدایت کنند، در حالی که همزمان ناقل‌های ویروسی را از طریق میکروکانال‌ها برای کنترل دقیق انواع نورون‌های خاص منتقل می‌کنند. جدیدترین پیشرفت، "شیمیایی-ریزسوزن اپتوژنتیک" است که یک غشای آزاد کننده داروی کنترل شده با نور را در نوک آن یکپارچه می کند. هنگامی که در معرض نور آبی قرار می‌گیرد، انتقال‌دهنده‌های عصبی را آزاد می‌کند و به دقت زمانی{10}میلی‌ثانیه‌ای در کنترل مدارهای عصبی دست می‌یابد، شاهکاری که توسط سیستم‌های پرفیوژن سنتی دست نیافتنی است.
تجزیه و تحلیل تک سلولی{0}}به سطح جدیدی از دقت رسیده است. توالی‌یابی سنتی تک سلولی به تفکیک بافت نیاز دارد که منجر به از دست رفتن اطلاعات مکانی می‌شود. تکنیک نمونه‌برداری میکرو{4}}سوزن می‌تواند محتویات سیتوپلاسمی سلول‌های منفرد را در محل از حیوانات زنده جمع‌آوری کند. قطر نوک سوزن 1 میکرومتر است و با پپتیدهای نافذ در غشای سلولی-در سطح اصلاح شده است. پس از نفوذ به غشای سلولی، تقریباً 1 pL سیتوپلاسم را از طریق عملکرد مویرگی جذب می‌کند و سپس نمونه را برای تعیین توالی RNA تک سلولی به یک تراشه میکروسیال منتقل می‌کند. در مطالعه‌ای روی قشر مغز موش، این تکنیک با موفقیت نقشه‌برداری-تغییرات رونویسی زمان واقعی نورون‌ها را در طول شکل‌گیری حافظه زمینه‌ای فضایی نشان داد و برای اولین بار، بیان دینامیکی ژن‌های مربوط به رمزگذاری حافظه را در سطح in vivo مشاهده کرد.
برنامه های کاربردی تحقیق تومور از توصیف به دستکاری به جهشی دست یافته اند. مدل‌های تومور سنتی برای شبیه‌سازی-نفوذ سه بعدی داروها در بافت‌ها تلاش می‌کنند. آرایه‌های میکرو{3}}سوزن می‌توانند یک "شبکه عروقی مصنوعی" ایجاد کنند، با 128 میکرو سوزن توخالی که در بافت‌های تومور وارد می‌شوند، و سرعت جریان هر نوک سوزن توسط یک سیستم میکروسیالی برای شبیه‌سازی تفاوت‌های پرفیوژن در مناطق مختلف عروقی کنترل می‌شود. در یک مدل سرطان سینه، این پلتفرم با موفقیت گرادیان غلظت دوکسوروبیسین را در نواحی هسته نکروزه و حاشیه پرولیفراتیو با همبستگی 0.91 با نتایج in vivo PET{8}}CT پیش‌بینی کرد. حتی یک کاربرد رادیکال‌تر، «ایمونوتراپی با سوزن میکرو» - بارگذاری آنتی‌بادی‌های PD-1 و آگونیست‌های STING روی نوک سوزن‌ها و تزریق مستقیم آن‌ها به تومور، دستیابی به غلظت محلی دارو 1000 برابر بیشتر از تزریق داخل وریدی و کاهش عوارض جانبی سیستمیک تا 95 درصد است. در مدل ملانوما، میزان پاسخ کامل از 35% به 78% افزایش یافت.
نوآوری در فرآیندهای تولید از این عملکردهای پیچیده پشتیبانی کرده است. از ریزساخت اولیه-بر پایه سیلیکون تا لیتوگرافی چند لایه پلیمری امروزی، پیچیدگی ساختارهای میکرو-سوزن به طور قابل توجهی افزایش یافته است. پیچیده‌ترین «سیستم میکرو-سوزن-روی-تراشه» از یک پشته 8{9}}SU{11}}8 لایه مقاوم برای ایجاد یک شبکه کانال سه بعدی استفاده می‌کند. تکنیک‌های اصلاح نوک نیز متنوع هستند: رسوب الکتروشیمیایی یک نانو چند لایه طلا را روی نوک تشکیل می‌دهد تا سیگنال‌های رامان را تقویت کند. رسوب لایه اتمی اکسید روی را روی نوک آن می‌پیچد تا رهاسازی دارو با نور کنترل شود. اوریگامی DNA "دروازه های منطقی هوشمند" را روی نوک خود جمع می کند و داروها را در پاسخ به ترکیبات microRNA خاص آزاد می کند.
اکوسیستم صنعتی با بخش های تخصصی در حال شکل گیری است. بالادست شامل ریخته‌گری‌های میکرو{1}}نانو (مانند خط تولید MEMS TSMC) می‌شود، میان‌دستی توسط شرکت‌های عامل‌سازی (که درگیر اصلاح سطح و ترکیب زیستی هستند) و پایین‌دست توسط شرکت‌های ابزارسازی (ادغام در تجهیزات تجاری) پر شده است. یک سیستم غربالگری دارویی با کارایی بالا که نمونه‌برداری میکرو-سوزن و آنالیز طیف‌سنجی جرمی آنلاین را ادغام می‌کند، قیمت خود را از محدوده میلیون دلاری به محدوده 300,000 دلار کاهش داده است و آن را برای آزمایشگاه‌های اندازه متوسط ​​در دسترس قرار داده است. در طول پنج سال آینده، با افزایش سطح اتوماسیون، پلت‌فرم‌های تحقیقاتی میکرو{11}}سوزن از سفارشی‌سازی متخصص به محصولات استاندارد تغییر خواهند کرد. پیش‌بینی می‌شود که در سه حوزه اصلی علوم اعصاب، ایمونولوژی تومور و بیماری‌های متابولیک، نرخ نفوذ فناوری سوزن‌های میکرو از 15 درصد فعلی به 45 درصد افزایش می‌یابد که تحقیقات علوم زیستی را به عصر جدیدی از «تحریم‌های مکانی-زمانی منفرد{16} سلولی» از «هدف جمعیتی به طور میانگین» سوق می‌دهد. "انجام آزمایش‌های in vivo با دقت آزمایش‌های in vitro".