เครื่องมือวิจัยทางชีวภาพ - อาร์เรย์ Microneedle: มีดผ่าตัดที่แม่นยำในการตรวจจับและการแทรกแซงร่างกาย

เครื่องมือวิจัยทางชีวภาพ - อาร์เรย์ microneedle: มีดผ่าตัดที่มีความแม่นยำในการตรวจจับและการแทรกแซงในสิ่งมีชีวิต
ชิปไมโครนีเดิลในตัว + การตรวจสอบแบบเรียลไทม์-และการแทรกแซงที่บุกรุกน้อยที่สุด
ในระดับแนวหน้าของการวิจัยด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพ เทคโนโลยีไมโครนีเดิลได้พัฒนาจากเครื่องมือจัดส่งที่เรียบง่ายไปสู่แพลตฟอร์มบูรณาการแบบมัลติฟังก์ชั่น อุปกรณ์ที่มีความแม่นยำระดับมิลลิเมตร-เหล่านี้กำลังดำเนินการ "การผ่าตัดที่มีการบุกรุกน้อยที่สุด" กับตัวอย่างทางชีววิทยาที่มีชีวิตซึ่งก่อนหน้านี้จำเป็นต้องใช้เครื่องมือที่ซับซ้อน โดยให้หน้าต่างการแก้ไข spatiotemporal ที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับการทำความเข้าใจกระบวนการของชีวิต
ความซับซ้อนของการบูรณาการทางเทคโนโลยีเป็นตัวกำหนดเครื่องมือวิจัยยุคใหม่ ไมโครนีดเดิลแบบฟังก์ชันเดี่ยว-พื้นฐานได้รับการอัปเกรดเป็นระบบบูรณาการสี่ระบบ: ไมโครนีดเดิลการตรวจจับ (ไบโอเซนเซอร์แบบรวม) ไมโครนีดเดิลแบบกระตุ้น (ไมโครอิเล็กโทรดแบบรวม) ไมโครนีดเดิลการเก็บตัวอย่าง (ไมโครแชนเนลแบบรวม) และไมโครนีดัลหลายรูปแบบ (การรวมกันของฟังก์ชันข้างต้น) "ออร์แกน-บน-a-อาร์เรย์ microneedle ของอินเทอร์เฟซชิป" ที่ล้ำสมัยที่สุดได้รวม microneedles ที่สามารถระบุตำแหน่งได้โดยอิสระ 64 ชิ้นบนชิปขนาด 4×4 มม. ตัวเข็มแต่ละตัวประกอบด้วยช่องไมโครช่อง (สำหรับการส่งรีเอเจนต์) อิเล็กโทรด (สำหรับการบันทึกสัญญาณไฟฟ้า) และหน้าต่างแสง (สำหรับการตรวจจับการเรืองแสง) ทำให้สามารถเฝ้าติดตาม-ระยะยาว หลาย- มิติของแบบจำลอง ในหลอดทดลอง เช่น สารอินทรีย์และชิ้นเนื้อเยื่อ
การตรวจสอบแบบเรียลไทม์-ได้รับผลลัพธ์ที่น่าทึ่งในด้านการวิจัยเมตาบอลิซึม การตรวจจับสารเมตาบอไลต์แบบดั้งเดิมอาศัยการเก็บตัวอย่างเลือดเป็นระยะๆ ซึ่งจะทำให้สูญเสียข้อมูลจลนศาสตร์ เซ็นเซอร์ไมโครนีดเดิลกลูโคสแบบฝังสามารถตรวจสอบความเข้มข้นของกลูโคสของเหลวที่อยู่คั่นระหว่างหน้าได้อย่างต่อเนื่องด้วยความละเอียดเวลา 1 นาที แทนที่ 80% ของความจำเป็นในการเก็บตัวอย่างเลือดจากปลายนิ้ว การวิจัยขั้นสูงเพิ่มเติมได้รวมไมโครนีเดิลเข้ากับโพรบแมสสเปกโตรเมทรี - ปลายเข็มเคลือบด้วยวัสดุสกัดระยะไมโครที่เป็นของแข็ง- ซึ่งดูดซับสารเมตาโบไลต์ของโมเลกุลขนาดเล็กหลังจากแทรกเข้าไปในเนื้อเยื่อ และสามารถวิเคราะห์ได้โดยตรงด้วยแมสสเปกโตรเมตรีเพื่อให้ได้-ลายนิ้วมือของเมตาบอลิซึมตามเวลาจริงในสภาพแวดล้อมจุลภาคของเนื้องอก ในแบบจำลองโรคพาร์กินสัน เทคโนโลยีนี้จับการผันผวนของความเข้มข้นของโดปามีนแบบไดนามิกหลังการให้ยาเลโวโดปาได้สำเร็จ ซึ่งถือเป็นหลักฐานโดยตรงสำหรับการปรับรูปแบบการให้ยาอย่างเหมาะสม
การแทรกแซงทางประสาทวิทยาที่มีการบุกรุกน้อยที่สุดกำลังทำลายปัญหาคอขวดทางเทคนิค การกระตุ้นสมองส่วนลึก (DBS) ในการรักษาโรคพาร์กินสันจำเป็นต้องผ่าตัดกะโหลกศีรษะเพื่อฝังขั้วไฟฟ้า ซึ่งมีความเสี่ยงสูง ไมโครอิเล็กโทรดอาร์เรย์ที่ยืดหยุ่นถูกฝังผ่านรูกระดูกเล็กๆ ที่มีตัวนำไมโครนีเดิลนำทาง โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียง 150 ไมโครเมตร หลังจากการปลูกถ่าย พวกมันจะตรงกับโมดูลัสของเนื้อเยื่อสมอง ซึ่งลดการตอบสนองของระบบภูมิคุ้มกันลง 90% ในการใช้งานด้านออพโตเจเนติกส์ ไมโครนีดเดิลแบบกลวงจะทำหน้าที่เป็น "ไมโครนีเดิลของใยแก้วนำแสง" เพื่อนำทางแสงไปยังบริเวณสมองส่วนลึก ขณะเดียวกันก็ส่งพาหะของไวรัสผ่านไมโครแชนเนลไปพร้อมๆ กัน เพื่อควบคุมประเภทของเซลล์ประสาทที่เฉพาะเจาะจงได้อย่างแม่นยำ ความก้าวหน้าครั้งล่าสุดคือ "ไมโครนีเดิลคีโม-ออพโตเจเนติก" ซึ่งรวมเมมเบรนปล่อยยาที่ควบคุมด้วยแสง-ไว้ที่ส่วนปลาย เมื่อสัมผัสกับแสงสีฟ้า มันจะปล่อยสารสื่อประสาทออกมา เพื่อให้ได้ความแม่นยำระดับมิลลิวินาที-ในการควบคุมวงจรประสาท ซึ่งเป็นความสำเร็จที่ระบบการกำซาบแบบดั้งเดิมไม่สามารถบรรลุได้
การวิเคราะห์เซลล์เดี่ยว-ได้มาถึงระดับใหม่ของความแม่นยำแล้ว การจัดลำดับเซลล์เดี่ยว-แบบดั้งเดิมจำเป็นต้องมีการแยกตัวของเนื้อเยื่อ ซึ่งทำให้สูญเสียข้อมูลเชิงพื้นที่ เทคนิคการเก็บตัวอย่างด้วยเข็มขนาดเล็ก-สามารถรวบรวมปริมาณไซโตพลาสซึมของเซลล์แต่ละเซลล์ในแหล่งกำเนิดจากสัตว์ที่มีชีวิต ปลายเข็มมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 μm และพื้นผิว-ถูกดัดแปลงด้วยเปปไทด์ที่เจาะทะลุเยื่อหุ้มเซลล์- หลังจากเจาะเยื่อหุ้มเซลล์ มันจะดูดซับไซโตพลาสซึมประมาณ 1 pL ผ่านการกระทำของเส้นเลือดฝอย จากนั้นจึงถ่ายโอนตัวอย่างไปยังชิปไมโครฟลูอิดิกสำหรับ-การจัดลำดับ RNA ของเซลล์เดียว ในการศึกษาเยื่อหุ้มสมองสมองของหนู เทคนิคนี้ประสบความสำเร็จในการแมปการเปลี่ยนแปลง-การถอดเสียงของเซลล์ประสาทตามเวลาจริงในระหว่างการก่อตัวของหน่วยความจำบริบทเชิงพื้นที่ และเป็นครั้งแรกที่ได้สังเกตการแสดงออกแบบไดนามิกของการเข้ารหัสหน่วยความจำ{- ยีนที่เกี่ยวข้องกับการเข้ารหัสในระดับในร่างกาย
การประยุกต์ใช้ในการวิจัยเนื้องอกประสบความสำเร็จอย่างก้าวกระโดดจากการอธิบายไปสู่การจัดการ แบบจำลองเนื้องอกแบบดั้งเดิมพยายามจำลองการแทรกซึมของยาในเนื้อเยื่อแบบสามมิติ- อาร์เรย์เข็มขนาดเล็ก-สามารถสร้าง "เครือข่ายหลอดเลือดเทียม" โดยมีเข็มขนาดเล็กกลวง-จำนวน 128 เข็มสอดเข้าไปในเนื้อเยื่อเนื้องอก และอัตราการไหลของปลายเข็มแต่ละปลายจะถูกควบคุมโดยระบบไมโครฟลูอิดิกเพื่อจำลองความแตกต่างของการไหลเวียนของเลือดในบริเวณต่างๆ ของหลอดเลือด ในแบบจำลองมะเร็งเต้านม แพลตฟอร์มนี้คาดการณ์การไล่ระดับความเข้มข้นของด็อกโซรูบิซินในแกนเนื้อตายและบริเวณขอบที่มีการงอกขยายได้สำเร็จ โดยมีความสัมพันธ์กันที่ 0.91 กับผลลัพธ์ของ PET-CT ในสัตว์ทดลอง การใช้งานที่รุนแรงยิ่งกว่านั้นคือ "การบำบัดด้วยภูมิคุ้มกันด้วยเข็มขนาดเล็ก" - โดยการโหลดแอนติบอดี PD-1 และตัวเร่งปฏิกิริยา STING บนปลายเข็มแล้วฉีดเข้าไปในเนื้องอกโดยตรง ทำให้ได้รับความเข้มข้นของยาเฉพาะที่ 1,000 เท่าของการฉีดเข้าเส้นเลือดดำ และลดผลข้างเคียงทั้งระบบได้ 95% ในแบบจำลองมะเร็งผิวหนัง อัตราการตอบสนองที่สมบูรณ์เพิ่มขึ้นจาก 35% เป็น 78%
นวัตกรรมในกระบวนการผลิตได้สนับสนุนการทำงานที่ซับซ้อนเหล่านี้ ตั้งแต่การผลิตไมโครแฟบริเคชั่นที่ใช้ซิลิกอน-ในยุคแรกๆ ไปจนถึงการพิมพ์หินโพลีเมอร์หลายชั้นในปัจจุบัน ความซับซ้อนของโครงสร้างไมโคร-เข็มได้เพิ่มขึ้นอย่างมาก "ระบบไมโคร-เข็ม-บน-ชิป" ที่ซับซ้อนที่สุดใช้สแต็กโฟโตรีซิส 8-เลเยอร์ SU-8 เพื่อสร้างเครือข่ายช่องสัญญาณสามมิติ- เทคนิคการปรับเปลี่ยนทิปก็มีความหลากหลายเช่นกัน การสะสมทางเคมีไฟฟ้าจะสร้างทองคำหลายชั้นระดับนาโนที่ปลายเพื่อเพิ่มสัญญาณรามัน การสะสมของชั้นอะตอมจะห่อหุ้มซิงค์ออกไซด์ไว้ที่ส่วนปลายเพื่อให้ได้ยาที่ควบคุมด้วยแสง DNA origami ประกอบ "ประตูลอจิกอัจฉริยะ" ที่ส่วนปลาย เพื่อปล่อยยาเพื่อตอบสนองต่อการผสม microRNA ที่เฉพาะเจาะจง
ระบบนิเวศทางอุตสาหกรรมกำลังเป็นรูปเป็นร่างด้วยแผนกเฉพาะทาง ต้นน้ำประกอบด้วยโรงหล่อที่แปรรูประดับไมโคร-นาโน (เช่น สายการผลิต MEMS ของ TSMC) ส่วนต้นน้ำตอนกลางถูกครอบครองโดยบริษัทด้านฟังก์ชันการทำงาน (มีส่วนร่วมในการดัดแปลงพื้นผิวและการผัน-ทางชีวภาพ) และปลายน้ำนั้นเต็มไปด้วยบริษัทเครื่องมือ (บูรณาการเข้ากับอุปกรณ์เชิงพาณิชย์) ระบบคัดกรองยาที่มีปริมาณงานสูง-ซึ่งรวมการเก็บตัวอย่างด้วยเข็มขนาดเล็ก-และการวิเคราะห์แมสสเปกโตรเมตรีแบบออนไลน์ พบว่าราคาของมันลดลงจากช่วงล้าน-ดอลลาร์เป็นช่วง 300,000 ดอลลาร์ ทำให้ห้องปฏิบัติการขนาดกลาง-สามารถเข้าถึงได้ ในอีกห้าปีข้างหน้า เมื่อระดับระบบอัตโนมัติเพิ่มขึ้น แพลตฟอร์มการวิจัยเข็มขนาดเล็ก-จะเปลี่ยนจากการปรับแต่งโดยผู้เชี่ยวชาญไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้มาตรฐาน มีการคาดการณ์ว่าในสามสาขาหลัก ได้แก่ ประสาทวิทยาศาสตร์ ภูมิคุ้มกันวิทยาของเนื้องอก และโรคทางเมตาบอลิซึม อัตราการเจาะของเทคโนโลยีไมโคร-เข็มจะเพิ่มขึ้นจาก 15% ในปัจจุบันเป็น 45% ซึ่งจะช่วยขับเคลื่อนการวิจัยด้านชีววิทยาศาสตร์ไปสู่ยุคใหม่ของ "การเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่ของเซลล์-เซลล์เดียว" จาก "ค่าเฉลี่ยของประชากร" ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะบรรลุเป้าหมายสูงสุดของ "การทำการทดลองในสัตว์ทดลองด้วยความแม่นยำของการทดลองในหลอดทดลอง"