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微流体学

临床中心医生测试3D打印微型呼吸机

发布时间:通过James K.Gilman,NIH临床中心医学博士

拇指驱动旁边的小塑料装置
描述:一个USB闪存盘(前面)紧挨着3D打印的微型呼吸机(后面)。信贷:NIH临床中心William Pritchard

在NIH临床中心,我们很荣幸被视为世界知名的研究医院,通过开拓性临床研究为改善人类健康带来希望。但你可能不知道的是,我们的医生一直在与公共和私营部门合作,开发创新技术,帮助提高健康成果。

我很高兴为大家带来一个故事,这个故事是NIH医生与全球战略合作伙伴合作创造潜在救生技术的绝妙范例。这个故事开始于新冠肺炎大流行期间,全球缺乏呼吸机来帮助患者呼吸。医院非常需要廉价、易用、快速批量生产的复苏设备,这些设备可以快速分发到急需的地区。

通过战略合作伙伴关系,我们的临床中心医生了解并加入了一个由工程师、医生、呼吸治疗师和患者倡导者组成的国际团队,利用他们的工程技能来创建一个功能齐全、价格合理且直观的呼吸机。经过几次迭代和台架测试,他们设计了一个用户友好的呼吸机。

透明塑料迷你呼吸机
描述:微型呼吸机连接到氧气管(星号),呼吸管连接到患者(交叉影线)。排气管(匕首)是凹进的,以防止意外堵塞。信贷:NIH临床中心William Pritchard

然后,在3D打印技术的帮助下,他们改进了最初的设计,并做了一件非常不可思议的事情:该团队创造了迄今为止最小的单患者呼吸机。该设备直径只有2.4厘米(约1英寸),长度为7.4厘米(约3英寸)。

医院里典型的呼吸机显然要大得多,并且有一个风箱系统。它充满氧气,然后强迫氧气进入肺部,然后患者被动呼气。这些系统有多个运动部件、阀门、软管和电子或机械控制装置,以管理进入肺部的氧气流的各个方面。

但我们的迷你型3D-printed呼吸机是一次性的,没有活动部件。它基于流体学原理,通过在强制吸气和辅助呼气之间自动振荡,随着气道压力的变化为患者通气。它只需要持续供应加压氧气。

这种3D绘制的微型呼吸机的可能性很大。通风机可以很容易地用于紧急运输,可能用于治疗战场伤亡或应对灾难和地震等大规模伤亡事件。

虽然提炼一个概念很重要,但关键是将其转化为实际应用,我们的医生在临床前和临床研究中做得很好。NIH的William Pritchard、Andrew Mannes、Brad Wood、John Karanian、Ivane Bakhutashvili、Matthew Starost、David Eckstein和医学院学生Sheridan Reed研究并已经在患有急性肺损伤的猪身上测试了呼吸机,这是包括新型冠状病毒肺炎(COVID-19)在内的许多呼吸道威胁的常见严重后果。

在这项研究中,医生测试了三种型号的设备,分别用于轻度、中度和重度肺损伤。呼吸器为中度和轻度肺损伤提供了足够的支持,医生们回忆起最初看到一头190磅重的猪用这种微型呼吸器进行通风是多么令人惊讶。

医生们认为,这种3D-彩色微型呼吸机自始至终都是一个潜在的“游戏规则改变者”,因为它可以拯救生命,体积小,使用简单,可以轻松廉价地打印和存储,并且不需要额外的维护。他们最近在杂志上发表了临床前试验结果科学转化医学[1].

NIH团队正准备在未来几个月在临床中心开展首次人体试验。也许,在不远的将来,一种旨在帮助人们呼吸的设备可以放进你手机和钥匙旁边的口袋。

参考:

[1]在线式微型3D加压循环呼吸机维持诱导性急性肺损伤猪的呼吸稳态Pritchard WF、Karanian JW、Jung C、Bakhutashvili I、Reed SL、Starost MF、Froelke BR、Barnes TR、Stevenson D、Mendoza A、Eckstein DJ、Wood BJ、Walsh BK、Mannes AJ。《科学与运输医学》,2022年10月12日;14(666):eabm8351。

链接:

临床中心(国家卫生研究院)

安德鲁·曼内斯(临床中心)

布拉德福德木材公司(临床中心)

大卫·艾克斯坦(临床中心)

注释:劳伦斯·塔巴克博士(Dr.Lawrence Tabak)履行国家卫生研究院院长的职责,要求国家卫生研究所研究所和中心(IC)的负责人偶尔在博客上发表客座帖子,以突出他们支持和开展的一些有趣的科学。这是NIH IC系列客座帖子中的第21篇,将一直持续到新的NIH常务董事到位。


完美的细胞骨架风暴

发布时间:通过弗朗西斯·柯林斯博士

有没有想过让细胞生物学转一圈?如果是这样的话,我建议你坐下来看一看这个成熟的细胞骨架“风暴”,它提供了一个壮观的生命舞蹈动态视图。

在细胞分裂之前,它会经历一个叫做有丝分裂的过程,复制染色体并产生两个相同的细胞核。作为这个过程的一部分,微管是帮助构成细胞骨架的结构蛋白,它将新复制的染色体重组为一个致密的足球状纺锤体。有丝分裂纺锤体的位置告诉细胞在哪里分裂,使每个子细胞都包含自己的一组相同的DNA。

为了更详细地了解微管的作用,研究人员设计了一个实验系统,该系统利用了非洲爪蛙细胞的提取物(非洲爪蟾). 视频开始时,一排星形微管(红色)向外辐射,显然是为了准备细胞分裂。在这种配置中,微管在其尖端的蛋白质EB-1(绿色)的帮助下不断调整其长度。当微管生长并撞到实验室生成的凝胶状外壳(黑色轮廓)的壁时,微管弯曲,整个阵列随后围绕中心旋转。

阿卜杜拉·巴沙尔·萨米(Abdullah Bashar Sami)是美国国立卫生研究院(NIH)支持的拉腊米怀俄明大学杰西·杰伊·加特林(Jesse“Jay”Gatlin)实验室的一名博士生,他拍摄了这部电影,作为其基础研究的一部分,以探索微管所产生的仍然鲜为人知的物理力。这部电影在美国细胞生物学学会主办的2019年绿色荧光蛋白图像和视频比赛中获得第一名。这项竞赛是为了纪念绿色荧光蛋白(GFP)发现25周年,绿色荧光蛋白改变了细胞生物学,并为获得NIH支持的三位科学家赢得了2008年诺贝尔化学奖。

像许多电影一样,背景是这部影片成功的关键。这段视频是在Gatlin实验室设计的微流控室中拍摄的,用于研究细胞分裂前微管组装的物理。这个小房间里有一个充满细胞提取物的液滴。

当液体暴露在超薄的光束下时,它会形成一个凝胶状的壁,将分子物质困在其中[1]。然后,使用延时显微镜,研究人员观察GFP标记的微管的机械行为[2],以了解它们如何定位有丝分裂纺锤体。要做到这一点,微管就像形状变换器一样,可以根据细胞大小和几何形状的不同进行调整。

Gatlin实验室继续使用他们的拉埃维斯X.laevis系统询问有关微管组装的基本问题。几十年来,GFP和这两种两栖动物模型都为细胞生物学家提供了对生命舞蹈的重要见解,正如这项工作所表明的,我们可以期待更多!

工具书类:

[1]微管生长速率对微管脉冲密度的整体和局部变化敏感Geisterfer ZM、Zhu D、Mitchison T、Oakey J、Gatlin JC。2019年11月20日。

[2]牛磺酸基荧光蛋白融合以可视化微管.穆尼·P、苏勒鲁德·T、Pelletier JF、Dilsaver MR等,《细胞骨架》(霍博肯)。2017年6月;74(6):221-232.

链接:

有丝分裂(美国国家人类基因组研究所/NIH)

加特林实验室(怀俄明大学,拉腊米分校)

绿色荧光蛋白图像和视频比赛(美国细胞生物学学会,马里兰州贝塞斯达)

2008年诺贝尔化学奖(诺贝尔基金会,瑞典斯德哥尔摩)

NIH支持:国家普通医学科学研究所


体芯片设备预测癌症药物反应

发布时间:通过弗朗西斯·柯林斯博士

片上车身
图片来源:McAleer等人,《科学转化医学》,2019年

研究人员继续生产令人印象深刻的微型人体组织,这些组织类似于一系列人体器官的结构,包括肝脏、肾脏、心脏,甚至大脑。事实上,一些研究人员正在利用这一成功,采取下一个重大技术步骤:将几个微型器官的关键部件同时放在芯片上。

这些体芯片(body-on-a-chip,BOC)设备将每种组织类型放置在各自的峰值室中,并通过充满流体的微通道将其连接到实验室平板上的活的集成生物系统中。在上面的照片中,BOC芯片中充满了绿色液体,以便更容易看到各个腔室。例如,这种易于重新配置的系统可以培养肝细胞(1号室)、两个癌细胞系(3号室、5号室)和心脏功能芯片(2号室、4号室)。

研究人员将血样液体与化疗药物一起通过芯片循环。这使他们能够测试这些药物对抗人类癌细胞的潜力,同时收集证据,证明其对放置在其他腔室中的组织有潜在的不良影响。

这份BOC来自美国国立卫生研究院支持的一个研究团队,其中包括佛罗里达州奥兰多Hesperos公司的James Hickman和Christopher McAleer。他们在罗氏制药公司的瑞士同事向两人提出了创建芯片白血病模型的挑战。面临的挑战是,能否在芯片上重现双氯芬酸和伊马替尼对人体的已知影响和毒性。

发布于科学转化医学,他们不仅迎接了挑战。研究人员如预期所示,伊马替尼不会损害肝细胞[1]。但是,当用双氯芬酸治疗时,芯片上的肝细胞数量减少了约30%,这一观察结果与该药物已知的肝毒性特征一致。

作为第二项更具挑战性的测试,研究人员通过将多药耐药的外阴癌细胞系放置在一个腔室中,并将对药物治疗有反应的乳腺癌细胞系放在另一个腔体中,重新配置了BOC。为了探索副作用,该系统还包括一个装有人类肝细胞的腔室和另外两个装有跳动的人类心脏细胞的腔体,以及分别测量细胞电活动和机械活动的装置。

这些研究表明,通常用于治疗乳腺癌的他莫昔芬确实杀死了BOC上的大量乳腺癌细胞。但是,它只有在芯片上的肝细胞处理三苯氧胺以产生其更活跃的代谢物后才这样做!

同时,无论是否存在肝细胞,三苯氧胺单独使用都不会影响芯片上的耐药外阴癌细胞。这种类型的癌细胞以前被证明可以通过特定的通道将药物泵出。对芯片的研究表明,通过添加第二种药物维拉帕米(verapamil)可以克服这种形式的耐药性,这种药物可以阻断通道。

单独使用他莫昔芬和联合治疗对心脏细胞都显示出一些非靶向效应。当心脏细胞在治疗中存活下来时,它们收缩得更慢,力量也更小。令人鼓舞的消息是,仅用他莫西芬治疗的心脏细胞在三天内恢复。但当对药物组合进行测试时,心肌细胞在同一时间段内并没有恢复其功能。

像这样的进展之所以特别重要,是因为进入人体临床试验的候选药物中,只有十分之一最终获得了美国食品药品监督管理局(FDA)的批准[2]。通常,候选药物之所以失败,是因为它们对人类大脑、肝脏、肾脏或其他器官具有毒性,而动物临床前研究没有预测到这种毒性。

随着BOC致力于测试新的候选药物,特别是治疗组合,我们希望能够更好地预测哪些化合物将被证明对人类安全有效。对于那些最终注定要失败的候选药物,“及早失败”是降低药物开发成本的关键。通过在腔室中培养单个患者的细胞,BOC也可以用于帮助医生为特定患者选择最佳治疗方案。最终目标是加速将基本发现转化为临床突破。有关组织芯片的更多信息,请查看NIH药物筛选程序用组织芯片.

工具书类:

[1]评价抗癌治疗药物疗效和非靶向毒性的多生物系统McAleer CW、Long CJ、Elbrecht D、Sasserath T、Bridges LR、Rumsey JW、Martin C、Schnepper M、Wang Y、Schuler F、Roth AB、Funk C、Shuler ML、Hickman JJ。《科学与运输医学》2019年6月19日;11(497).

[2]试验药物的临床开发成功率Hay M、Thomas DW、Craighead JL、Economides C、Rosenthal J.Nat Biotechtol。2014年1月;32(1):40-51.

链接:

药物筛选用组织芯片(国家翻译科学促进中心/NIH)

詹姆斯希克曼(赫斯佩罗斯公司,佛罗里达州奥兰多)

Hesperos公司.

NIH支持:国家翻译科学促进中心


在盘子里制作个性化的血脑屏障

发布时间:通过弗朗西斯·柯林斯博士

图片来源:Vatine等人,《细胞干细胞》,2019年

血脑屏障(BBB)是一层致密的细胞,包围着大脑的大部分血管。血脑屏障的微小间隙让氧气和水等重要的小分子从血液中扩散到大脑,同时帮助阻挡不属于那里的更大、不可渗透的异物。

但对于患有某些神经系统疾病的人,如肌萎缩性侧索硬化症(ALS)和亨廷顿病,这种屏障的异常可能会阻止健康大脑活动所必需的生物分子的进入。BBB也使所需的治疗难以达到大脑中的目标。

为了帮助寻找解决这些问题和其他问题的方法,研究人员现在可以在如上图所示的芯片上种植人类血脑屏障。高倍图像显示了BBB的一些细胞部分。有内皮样细胞(洋红色),类似于大脑周围小血管的内皮样细胞。与之密切相关的是被称为星形胶质细胞(绿色)的支持性脑细胞,它有助于调节血液流动。

虽然类似的器官芯片之前创建的,使这种新型BBB芯片与众不同的是它使用了感应多能干细胞技术与先进的芯片工程相结合。在本例中,iPSC是从血液样本中提取出来的,可以根据需要生产出任何人独特的BBB活体模型。

由Clive Svendsen领导的研究人员,来自洛杉矶的Cedars-Sinai,首先使用一种生物化学配方诱导人的白细胞成为多能干细胞。此时,iPSC能够产生任何其他类型的细胞。但Svendsen团队遵循两种不同的配方,引导这些iPSC分化为模拟BBB所需的内皮细胞和神经细胞。

这种BBB平台的独特之处还在于它使用了一种复杂的微流体芯片,该芯片由基于波士顿的Emulate,Inc.生产。该芯片模拟人体内部的条件,使血脑屏障能够像人体一样发挥作用。

这些通道使研究人员能够使脑脊液(CSF)通过一侧流动,血液通过另一侧流动,以创建功能齐全的模型组织。BBB芯片也显示出电阻和磁导率,这与人们预期的一样。BBB模型甚至可以阻止某些药物的进入!

如中所述细胞干细胞研究人员已经利用一名亨廷顿氏病患者和另一名患有罕见先天性疾病(称为Allan-Herndon-Dudley综合征,一种遗传性大脑发育障碍)的患者的iPSC制造出BBB芯片。

近期,他的团队计划在BBB芯片上模拟ALS和帕金森病。由于这些芯片有望比动物模型更精确地模拟人血脑屏障,因此它们可能会加速潜在新药的研究。斯文森建议,有神经系统疾病的人可能有一天会根据需要制造自己的BBB芯片,以帮助他们选择最佳的治疗方案。现在,这是我们都希望看到的未来。

参考:

[1]人类iPSC-Derived血脑屏障芯片支持疾病建模和个性化医学应用Vatine GD、Barrie R、Workman MJ、Sances S、Barriga BK、Rahnama M、Barthakur S、Kasendra M、Lucchesi C、Kerns J、Wen N、Spivia WR、Chen Z、Van Eyk J、Svendsen CN.细胞干细胞。2019年6月6日;24(6):995-1005.e6。

链接:

药物筛选用组织芯片(国家翻译科学促进中心/NIH)

干细胞信息(国家卫生研究院)

斯文森实验室(洛杉矶西奈雪松)

NIH支持:国家神经疾病和中风研究所;国家转化科学促进中心


人字形纳米芯片检测癌症

发布时间:通过弗朗西斯·柯林斯博士

芯片上的人字形实验室
描述:人字形芯片上的实验室。插图显示外泌体。
学分:曾勇,堪萨斯大学、劳伦斯大学和堪萨斯城

人字形图案是人们熟悉的经典V形图案编织,长期流行于粗花呢夹克中。但是,这里看到的纳米人字纹不仅仅是一种时尚宣言。这有助于解决癌症检测“芯片实验室”设备的棘手设计问题。

由劳伦斯堪萨斯大学的曾勇和堪萨斯城堪萨斯大学医学中心的安德鲁·戈德温领导的研究团队。之前开发了一种芯片实验室,用于检测外泌体。它们是微小的泡状结构,大多数哺乳动物细胞会不断分泌到血液中[1]。外泌体曾被认为主要是细胞用来清除废物的垃圾袋,它携带重要的分子信息(RNA、蛋白质和代谢物),被细胞用来沟通和影响其他细胞的行为。

有趣的是,肿瘤细胞比健康细胞产生更多的外泌体。这使得这些30-150纳米结构(一纳米是十亿分之一米)有可能用于检测癌症。事实上,这些NIH资助的研究人员发现,他们的微流控设备可以在2微升血液样本中检测卵巢癌的外泌体。那只是0.25滴!

但有一个技术挑战。当这些微小的样品被放置到微流控通道中时,流体和其中的任何颗粒都倾向于平行层流动,而不会在它们之间发生任何混合。因此,外泌体可以轻易通过而不被检测到,而不会接触芯片表面的生物传感器。

这就是人字骨的用武之地自然生物医学工程,当流体流过这些3D人字形结构时,会产生类似漩涡的效果[2]。因此,外显体被更可靠地扫过,与生物传感器接触。

该团队独特的人字形结构也增加了芯片的表面积。由于表面也是多孔的,它允许液体缓慢流出,进一步鼓励外泌体到达生物传感器。

曾教授的团队使用20名卵巢癌患者和10名年龄匹配的对照组的血液样本进行了“芯片实验室”测试。该芯片能够快速检测已知与卵巢癌相关的外泌体蛋白的存在。

研究人员报告称,他们的设备灵敏度足以在1微升样品中检测到10个外泌体。它也可以很容易地用于检测与其他癌症相关的外体蛋白,也许还可以检测其他疾病。

曾和同事没有提到他们是否也在考虑在设计中尝试其他几何图案。但下次你看到粗花呢夹克时,请记住,它的人字形图案不仅仅是视觉上的。

工具书类:

[1]使用纳米结构氧化石墨烯/聚多巴胺涂层对循环外泌体进行超灵敏微流控分析张鹏,何明,曾毅实验室芯片。2016年8月2日;16(16):3033-3042.

[2]用三维纳米微流控芯片超灵敏检测循环外泌体.张平,周X,何M,尚Y,特特洛AL,戈德温AK,曾Y,《自然生物医学工程》2019年2月25日。

链接:

卵巢、输卵管和原发性腹膜癌患者版本(国家癌症研究所/NIH)

癌症筛查概述-患者版本(NCI/NIH)

细胞外RNA通讯(普通基金/NIH)

曾实验室(堪萨斯大学,劳伦斯分校)

戈德温实验室(堪萨斯大学医学中心,堪萨斯城)

NIH支持:国家癌症研究所


将微流体技术推向新的高度

发布时间:通过弗朗西斯·柯林斯博士

纤维微流体

解说词:微流体纤维对含有活细胞或死细胞的溶液进行分类。被成像的细胞类型和实时电压(30v)显示在底部。很容易想象这是如何被用来对活细胞和死细胞的混合物进行分类的。 信用卡:Yuan等人。,美国国家科学院

微流体技术——在微观尺度上操纵流体——使生产“芯片实验室”设备成为可能,例如,检测埃博拉病毒在一滴血中。现在,研究人员希望将微流体的精确性应用于更广泛的生物医学问题。他们的秘密?将微实验室从芯片移动到光纤。

为了做到这一点,NIH资助的一个团队在单个合成聚合物纤维中构建了微观通道,长度达到525英尺,或接近两个足球场长!如本视频所示,该团队已经使用这种纤维将活细胞与死细胞进行分类,其速度约为当前方法的100倍,仅依赖细胞电特性的自然差异。随着进一步的设计和开发,这种新的基于光纤的系统在改善肾透析和检测患者血液中转移癌细胞等方面具有巨大的前景。


红细胞和汞

发布时间:通过弗朗西斯·柯林斯博士

汞暴露后的红细胞

学分:克利夫兰凯斯西储大学考特尼·弗莱明、比努尔·阿克卡亚和乌穆特·古尔坎

汞是一种天然存在的重金属,也是公认的环境毒素。当汞以较高的水平被血液吸收时,它对人体也极为有害,导致一系列问题,包括认知障碍、皮疹和肾脏问题[1]。

在这幅图中,可以在红细胞中看到氯化汞的影响,氯化汞是一种有毒的化合物,现在有时被用作实验室试剂。正常情况下,健康的红细胞有一个独特的、类似甜甜圈的形状,可以帮助它们挤过最小的血管。但是,这些细胞在暴露于溶液中的低水平氯化汞24小时后,严重变形,突起异常尖锐。


生活快照:戏剧的闪光

发布时间:通过弗朗西斯·柯林斯博士

含脂水滴

学分:瓦伦汀·罗曼诺夫,犹他大学盐湖城分校

油和水可能不会混合,但在正确的条件下(如上图所示),它肯定会产生一些类似艺术的有趣科学。你看到的是悬浮在橄榄油(黑色和紫色)和脂类(构成细胞膜的分子)乳液中的水滴。每一种脂质都被标记上了红色荧光标记,看起来像红色和黄色火焰的是标记物对紫外线的反应。它们的发光显示,脂质粘附在水滴表面,很快就会吞噬水滴,形成单个脂质双层,随后可以转化为与细胞膜非常相似的脂质双层。科学家将这些称为脂质体的气泡用作各种研究目的的人工细胞。

在这种情况下,目的是进行结构生物学研究。盐湖城犹他大学的研究生瓦伦丁·罗曼诺夫拍摄了这张照片,他创造了脂质体来研究帮助细胞增殖的蛋白质。罗曼诺夫及其同事在犹他大学布鲁斯·盖尔和旧金山加利福尼亚大学亚当·弗罗斯特NIH支持的实验室中,通过将蛋白质封装在人工细胞膜中,并使其与脂质相互作用,利用高分辨率成像技术,可以在细胞分裂过程中的不同点冻结和捕获其不断变化的3D结构。这些快照将帮助研究人员更详细地了解蛋白质的工作原理,也许还可以设计药物来操纵其功能。


照亮埃博拉病毒快速诊断

发布时间:通过弗朗西斯·柯林斯博士

光流分析系统

标题:一种快速埃博拉检测系统,由微流控芯片(左)和光流控芯片(右)组成,通过曲管连接(中央)。
学分:加州大学圣克鲁斯分校约书亚·帕克斯

去年西非爆发的埃博拉病毒灾难性疫情吸取了许多教训。一个重要的问题是,在偏远地区开展业务的野战诊所迫切需要一种简单、快速、准确的检测方法,可以用一滴血当场告诉医生一个人是否感染了埃博拉病毒。

许多核心测试正在开发中,看到它们朝着正确的方向发展以满足这一关键需求是令人兴奋的[1]。最近的一个例子是自然科学报告由NIH支持的研究人员和同事组成的团队显示,通过芯片上的自动化实验室,埃博拉病毒的快速检测在早期取得了成功[2]。该混合系统将用于样品制备的微流控技术与用于病毒检测的光流控技术相结合,以感染者血液中常见的浓度识别埃博拉病毒。它还区分了埃博拉病毒和相关的马尔堡病毒和苏丹病毒,表明它可以用于检测其他传染病。


快速组装一个新的实验室

发布时间:通过弗朗西斯·柯林斯博士

实验室

学分:南加州大学维特比工程学院

正如昨天台式电脑的计算能力已经被微型化,可以装在手机里一样,生物工程师已经将传统的实验室仪器缩小到一毛钱大小。要组建一个像你上面看到的那样的“快照实验室”,科学家们所要做的就是将一些塑料组件点击在一起,就像孩子们将玩具建筑中的塑料砖点击在一起一样。

snap实验室由美国国立卫生研究院资助,由洛杉矶南加州大学维特比工程学院的诺亚·马尔姆施塔特领导的团队开发,是一个令人兴奋的微流体电路-纳米设备的例子,该设备仅用于测试一滴血液、唾液或其他液体。这种设备有可能使DNA分析、微生物检测和其他生物医学测试更容易、更便宜地进行。