Chemische und biomolekulare Technik

Paul Kenis Forschung

Mikrochemische Systeme: Mikroreaktoren, Mikrokraftstoffzellen und mikrofluidische Werkzeuge

Kenis Forschungsgruppe

In der Kenis-Forschungsgruppe nutzen wir die Fähigkeit, Transportphänomene auf der Mikroskala präzise zu steuern, um grundlegende Phänomene (einschließlich Proteinchemie, Zellbiologie) zu untersuchen und neuartige Technologien für eine Reihe von Anwendungen zu entwickeln, einschließlich Energieumwandlung, chemische Synthese und grundlegende biologische Studien. Um in diesen interdisziplinären Bereichen zu forschen, haben wir Kernkompetenzen in der Charakterisierung elektrochemischer Systeme, Mikrofabrikation, Mikrofluidiktechnologien sowie analytische und computergestützte Modellierung von Transportphänomenen und analytische und Materialcharakterisierungstechniken wie verschiedene Arten von Spektroskopie und Mikroskopie entwickelt.

Die Gruppe verfolgt derzeit Forschungsprojekte in den folgenden Bereichen:

1. Elektrochemische Systeme zur Kohlendioxidumwandlung und Brennstoffzellen
2. Mikrofluidische Plattformen zur Kristallisation von Proteinen und Pharmazeutika
3. Mikrofluidische Plattformen zur Untersuchung inter- und intrazellulärer Prozesse
4. Mikroreaktoren für die chemische Synthese
5. Fertigungstechnologien für die Mikrofluidik
6. Aufkommende mikrofluidische ‚Bio‘-Projekte

1. Elektrochemische Systeme zur Kohlendioxidumwandlung und Brennstoffzellen

1a. Elektrochemische Reduktion von CO2:

Der CO2-Gehalt in der Atmosphäre ist stetig gestiegen, was zu negativen Auswirkungen auf das globale Klima geführt hat. Mehrere Strategien, wie Kohlenstoffabscheidung und -bindung, Umstellung auf sauberere Brennstoffe, Ausbau der Nutzung erneuerbarer Energiequellen und Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden, müssen gleichzeitig angewendet werden, um diesen Anstieg einzudämmen. Die elektrochemische Reduktion von CO2 in Wertschöpfungschemikalien oder deren Zwischenprodukte ist ein weiterer Ansatz, um dieser Herausforderung zu begegnen. Dieser Prozess kann durch die überschüssige Energie aus intermittierenden erneuerbaren Quellen angetrieben werden, wodurch ein Mittel bereitgestellt wird, um überschüssige intermittierende erneuerbare Energie zu speichern und gleichzeitig CO2 als Energieträger zu recyceln. Darüber hinaus wird durch die Nutzung von CO2 als Ausgangsmaterial für die chemische Produktion die Abhängigkeit der Gesellschaft von fossilen Brennstoffen verringert.

Für die elektrochemische Reduktion von CO2 zielt unsere Gruppe auf die Verbesserung der Produktselektivität, Energieeffizienz und Konversionsrate durch die Entwicklung neuartiger Katalysatoren, den Einsatz geeigneter Elektrolyte sowie die Optimierung der Elektrodenstruktur und des Reaktordesigns ab. Zum Beispiel haben wir das Zellüberpotential auf weniger als 0 verringert.2 V durch Verwendung einer wässrigen Lösung enthaltend 1-Ethyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat (EMIM BF4), die vermutlich ein Reaktionszwischenprodukt stabilisiert (Rosen et al. Wissenschaft, 2011). Wir haben auch metallorganische Katalysatoren auf Silberbasis entwickelt, die eine hohe katalytische Aktivität bei niedriger Ag-Beladung aufweisen (Thorson et al., J. Am. Chem. Soc., 2012). Als Trägermaterial wird TiO2 verwendet, um die Ag-Partikelgröße zu minimieren und die Katalysatoraktivität zu erhöhen, was zu einer drastisch niedrigeren Ag-Beladung führt, ohne die Leistung bei der Reduktion von CO2 zu CO zu beeinträchtigen (Ma et al., ChemSusChem, 2014). Außerdem bietet die Konstruktion der Katalysatorschichtstruktur einen Ansatz zur Maximierung der Katalysatorausnutzung und der Gesamtleistung. Eine automatisierte Airbrush-Katalysatorabscheidungsmethode führte zu einer hohen Leistung bei der CO2-Reduktion mit reduzierter Katalysatorbeladung, während unerwünschte H2-Entwicklung unterdrückt wurde (Jhong et al. In : Adv. Energy Mater., 2013).

Derzeit forschen wir weiter an besseren Katalysatoren, Elektroden und Betriebsbedingungen für die elektrochemische Umwandlung von CO2 in interessierende Chemikalien. Einige dieser Arbeiten sind in Zusammenarbeit mit anderen: Nakashima, Lyth in Kyushu, Japan; und Rich Masel bei Dioxide Materials.

1b. Brennstoffzellen:

(2) Mikrofluidische Plattformen zur Kristallisation von Proteinen oder Pharmazeutika

Die Kristallisation von Proteinen und Pharmazeutika kann aufgrund der großen Materialmengen, die für das Screening auf optimale Kristallisationsbedingungen benötigt werden, schnell sehr teuer werden. Trotz der Verfügbarkeit von automatisierten Roboterkristallisations-Screening-Instrumenten, die Nanoliter-große Tropfen verwenden können, macht die große Investition in das erforderliche Kapital solche Instrumente nur für wenige gut finanzierte Labors oder Kristallisationszentren praktisch. Unsere mikrofluidischen Plattformen für die Protein- und Pharmakristallisation (i) ermöglichen ein Hochdurchsatz-Screening und die Optimierung der Kristallisationsbedingungen bei Verwendung einiger Nanoliter pro Versuch; (ii) sind eine einfach zu bedienende, kostengünstige Alternative zu Kristallisationsrobotern für das durchschnittliche Labor; und (iii) durch geeignete Materialauswahl (z. B. hohe Transmission von Röntgen, UV und IR) mit Analysetechniken kompatibel sind. Da unsere Chips röntgentransparent sind, können sie zur Datenerfassung direkt in einem Röntgenstrahl montiert werden, wobei der Schritt der manuellen Ernte der Kristalle umgangen wird. Unsere mikrofluidischen Plattformen ermöglichen Studien der Grundlagenforschung der Kristallisation (Kristallsaat, Keimbildung und Wachstumsraten) sowie der angewandten Wissenschaft (Strukturanalyse, Festkörperscreening) sowohl für die Protein- als auch für die pharmazeutische Kristallisation.

2a. Membranproteinkristallisation:

Membranproteine (MPs) befinden sich innerhalb der Zellmembran und fungieren als Mediatoren für die Signal-, Energie- und Materialtransduktion in und aus der Zelle. Es überrascht nicht, dass die Fehlfunktion von Membranproteinen mit zahlreichen Krankheiten in Verbindung gebracht wurde (Quick und Javitch, PNAS, 2007). MPs sind somit gemeinsame Drogenziele. Verschiedene Analysen haben gezeigt, dass MPs fast 30% der Proteine ausmachen, die in den Genomen von Escherichia coli, Saccharomyces cerevisae und Homo sapiens kodiert sind (Seddon et al., Bba-Biomembranes, 2004). Trotz ihres überwältigenden Übergewichts in der Zelle machen MPs weniger als 1% der in der Proteindatenbank abgelagerten Proteinstrukturen aus. Die Strukturbestimmung von Membranproteinen wurde durch Schwierigkeiten bei der Gewinnung ausreichender Mengen der Proteine aufgrund der geringen Häufigkeit und ihrer inhärenten Amphiphilie und anschließende Schwierigkeiten bei der Kristallisation behindert. In unserer Gruppe haben wir röntgentransparente mikrofluidische Plattformen für die In surfo und in Meso MP Kristallisation entwickelt. Darüber hinaus umfasst unsere Forschung röntgentransparente Plattformen, die die Untersuchung von lipidischen kubischen Phasendiagrammen und Microseed-Matrix-Screening ermöglichen, zwei leistungsstarke, aber typischerweise unzugängliche Kristallisationstechniken für Membranproteine. Das übergeordnete Ziel unserer Forschung ist es, große, gut geordnete Kristalle („Beugungsqualität“) für die Röntgenanalyse und Strukturaufklärung zu kristallisieren. Wir haben mehrere Targets kristallisiert und ihre Strukturen mithilfe von Daten gelöst, die ausschließlich auf dem Chip gesammelt wurden Aktuelle Bemühungen konzentrieren sich auf die Kristallisation von respiratorischen Membranproteinen in Zusammenarbeit mit Prof. Robert Gennis, Institut für Biochemie.

2b. Solid Form Screening of candidate pharmaceuticals:

In den frühen Stadien der Arzneimittelforschung suchen Wissenschaftler nach festen Formen von pharmazeutischen Wirkstoffen (APIs) mit geeigneten physikalischen und chemischen Eigenschaften (d. H. Löslichkeit, Bioverfügbarkeit, Stabilität), die sich später durch die Arzneimittelentwicklungspipeline bewegen können. Leider ist der Erfolg bei der Suche nach einer kristallinen festen Form eines Wirkstoffs mit optimierten Eigenschaften unter Verwendung herkömmlicher Screening-Verfahren (Wellplatten) durch eine geringe Menge an Wirkstoffen begrenzt, die in den frühen Stadien der Wirkstoffentdeckung verfügbar sind. Um dieses Problem anzugehen, haben wir mikrofluidische Plattformen für das pharmazeutische Festform-Screening mit den Zielen entwickelt, (i) die Menge der für das Festform-Screening benötigten pharmazeutischen Wirkstoffe (APIs) zu reduzieren, (ii) die Kompatibilität zwischen der Festform-Screening-Plattform und den Analysegeräten zu erhöhen und (iii) festzustellen, ob ein mikrofluidischer Ansatz für das Festform-Screening die Aufklärung neuartiger fester Formen ermöglicht. Wir haben mikrofluidische Plattformen basierend auf freier Grenzflächendiffusion validiert (Thorson et al., LOC, 2011) und kontrollierte Verdampfung (Goyal et al., LOC, 2013), die die Menge an API, die pro Feststoffform-Screening-Bedingung benötigt wird, um eine Größenordnung reduzieren (von 5 mg bis 5 µg für jede Bedingung), mit vergleichbaren Ergebnissen wie bei herkömmlichen verdampfungsbasierten Feststoffform-Screening-Experimenten. Die Reduzierung der Probenmenge ermöglicht es Wissenschaftlern, Feststoffbildschirme früher im Wirkstoffentdeckungsprozess durchzuführen, wenn minimale Mengen an API verfügbar sind, und ermöglicht ein umfassenderes Screening, das die Entdeckung neuartiger fester Formen ermöglicht. Wir haben die mikrofluidischen Plattformen so konzipiert, dass sie optisch transparent sind, was eine einfache Identifizierung kristalliner Feststoffe ermöglicht, und ein minimales Signal in der Raman-Spektroskopie und Röntgenbeugung zeigen, was eine On-Chip-Identifizierung fester Formen ermöglicht (Goyal et al., Crys. Wachstum & Des., 2012). Derzeit forschen wir an der Lösung von Kristallstrukturen unbekannter Kokristalle, indem wir unsere mikrofluidische Plattform nutzen, um Kristalle in Beugungsqualität zu züchten. Diese Arbeit erfolgt in Zusammenarbeit mit AbbVie.

(3) Mikrofluidische Plattformen für Zellstudien

Mikrofluidische Plattformen bieten mehrere Eigenschaften, die das Studium zellulärer und interzellulärer Prozesse im Vergleich zu herkömmlichen Petrischalen- oder Well-Plate-basierten Techniken besser erleichtern. Beispiele hierfür sind die Fähigkeit, einzelne Zellen in stark kontrollierten Umgebungen zu untersuchen, überlegene Kontrolle über die zelluläre Mikroumgebung in Raum und Zeit, und bequeme Integration mit verschiedenen Arten von Mikroskopie. In unserer Gruppe entwickeln wir mikrofluidische Plattformen für folgende Anwendungen:

3a. Antibiotika-Empfindlichkeitstests:

Eine wirksame Behandlung klinischer Infektionen hängt entscheidend von der Fähigkeit ab, Patientenproben schnell zu screenen, um die Anfälligkeit der infizierenden Erreger für Antibiotika zu identifizieren. Bestehende Methoden für Antibiotika-Suszeptibilitätstests (AST) leiden unter mehreren Problemen, darunter lange Durchlaufzeiten (Tage), übermäßiger Proben- und Reagenzverbrauch, schlechte Nachweisempfindlichkeit und begrenzte kombinatorische Fähigkeiten. Diese Faktoren schließen die rechtzeitige Verabreichung geeigneter Antibiotika aus, erschweren die Behandlung von Infektionen und verschlimmern die Entwicklung von Antibiotikaresistenzen.

Um diese Probleme anzugehen, entwickeln wir mikrofluidische Plattformen für AST, die im Vergleich zu herkömmlichen Methoden mehrere Vorteile bieten, darunter eine höhere Nachweisempfindlichkeit, schnelle Ergebnisse (< 6 Stunden), einen geringeren Reagenzienverbrauch und quantitativere Ergebnisse. In Zusammenarbeit mit Prof. Schroeder Wir haben unsere mikrofluidischen Plattformen genutzt, um die Empfindlichkeit verschiedener pathogener Bakterien wie E. coli, P. aeruginosa und K. pneumoniae gegen verschiedene Antibiotika zu untersuchen (Mohan et al. Biosens. & Bioauswahl., 2013). Wir haben die Plattform auch genutzt, um die Interaktion zwischen verschiedenen Bakterienarten (polymikrobielle Kulturen) und die Auswirkungen dieser Interaktionen auf die Antibiotikaempfindlichkeit zu untersuchen. Derzeit wenden wir die mikrofluidische Plattform in Verbindung mit der Verwendung der resultierenden experimentellen Daten für die pharmakokinetisch-pharmakodynamische (PK / PD) Modellierung an, um bessere Informationen über den besten Weg zur Behandlung einer bestimmten Infektion zu liefern.

3b. Untersuchung von Zellen unter kontrollierten Sauerstoffbedingungen:

Wenn Tumore von der lokalen Gefäßarchitektur weg nach außen wachsen, treten überall in der festen Masse variable hypoxische (subphysiologische Gewebeoxygenierung) Regionen auf. Diese hypoxischen Regionen wurden mit therapeutischer Resistenz, metabolischer Reprogrammierung und dem epithelial-mesenchymalen Übergang in Verbindung gebracht. Viele Fragen bleiben in Bezug auf die Auswirkungen von Hypoxie auf diese Ergebnisse, aber nur wenige Methoden ermöglichen sowohl eine präzise Kontrolle der Sauerstoffkonzentration als auch eine Echtzeit-Bildgebung des Zellverhaltens. Mikrofluidische Plattformen eignen sich aufgrund ihrer Kontrolle über zeitliche und räumliche chemische Bedingungen besonders gut zur Kontrolle der Sauerstoffkonzentration und ermöglichen gleichzeitig eine Echtzeit-Bildgebung. Neben der Kontrolle über die lokale Mikroumgebung bietet die im Vergleich zu herkömmlichen Methoden reduzierte Längenskala in mikrofluidischen Plattformen kürzere Ausgleichszeiten. Unter Ausnutzung der Vorteile von mikrofluidischen Plattformen haben wir ein Arrayed-Gerät entwickelt, das die Sauerstoffkonzentration von 0,5% bis 21% steuern kann. In Zusammenarbeit mit Professor Rex Gaskins (Department of Animal Sciences) nutzen wir diese Plattformen, um Echtzeitänderungen des Redoxpotentials von Organellen in Krebszellen unter Hypoxie zu untersuchen.

(4) Chemische Synthese in Mikroreaktoren

Mikroreaktoren bieten im Vergleich zu herkömmlichen Nasslaboransätzen mehrere Vorteile für die Untersuchung und tatsächliche Durchführung chemischer Synthese. Kleinere, präzise konstruierte Plattformen bieten beispielsweise einen verbesserten Wärme- und Stoffaustausch, einen geringeren Reagenzienverbrauch und sind besser für die Automatisierung geeignet. In unserer Gruppe entwickeln wir Mikroreaktoren für folgende Anwendungen:

4a. Synthese von Radiopharmaka:

Radiopharmaka sind eine Klasse von Arzneimitteln, die zur Diagnose und Behandlung verschiedener Krankheiten und Störungen verwendet werden, einschließlich bestimmter Krebsarten und Herzerkrankungen. Die Mengen der Vorläufer für die Synthese dieser Arzneimittel sind aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit, der hohen Kosten und der Obergrenzen für die Radioaktivitätsmenge, die sicher gehandhabt werden kann, typischerweise gering (einige Mikroliter). Die Unfähigkeit der herkömmlichen ‚Wet-Lab‘ -Methoden, niedrige Reagenzvolumina effizient zu manipulieren, führt nicht nur zur Synthese minderwertiger Medikamente für klinische Anwendungen, sondern behindert auch die Entwicklung neuer Medikamente. Wir versuchen, diese Probleme anzugehen, indem wir mikrofluidische Technologien oder besser Mikroreaktoren für die Synthese dieser Radiopharmaka entwickeln. Durch die Integration verschiedener mikrofluidischer Module stellen wir uns vor, dass diese Verbindungen viel zuverlässiger und mit höherer Ausbeute hergestellt werden können.

Wir haben gezeigt, dass die mikrofluidischen Technologien im Vergleich zu herkömmlichen Methoden für jeden Schritt mehrere Vorteile bieten, einschließlich verbesserter Reaktionsausbeuten, reduziertem Reagenzienverbrauch und Automatisierbarkeit (Goyal et al., Sens. & Handeln. B, 2014; Haarong et al., LOC, 2014; Hairong et al., Bioconj. Chem., 2014; Zeng et al., Nuc. Med. & Biografie., 2013; Wheeler et al., LOC, 2010). Derzeit optimieren wir die Mikroreaktoren weiter und entwickeln ein integriertes System für den klinischen und Forschungseinsatz. Dieses Projekt ist in Zusammenarbeit mit Prof. David Reichert Forschungsgruppe in der Abteilung für Radiologische Chemie an der Washington University, St. Louis.

4b. Mikroreaktoren für die Quantenpunktsynthese:

Fluoreszierende Halbleiter-Nanopartikel zeigen Versprechen in Solid-State-Beleuchtung und Display-Technologie aufgrund deutlich höhere Photolumineszenz und ein besseres spektrales Verhalten als herkömmliche Phosphor-Technologie. Diese Nanopartikel haben auch potenzielle Anwendungen in der medizinischen Bildgebung und im Quantencomputer. Hohe Produktionskosten, die zum Teil auf das Fehlen zuverlässiger Methoden zur Herstellung hochwertiger, monodisperser Nanopartikel zurückzuführen sind, hemmen derzeit deren breite Verwendung erheblich. Herkömmliche Batch-Syntheseverfahren leiden insbesondere unter der Batch-zu-Batch-Variation der Nanomaterialqualität. Batch-Synthesen, aufgrund der langsamen Wärme- und Stoffübertragung fehlt die Fähigkeit, die Größe, Morphologie und Zusammensetzung von Nanopartikeln genau zu kontrollieren. Kontinuierliche Durchflussreaktoren bieten eine mögliche Lösung für diese Probleme. Die Bemühungen in der Kenis-Gruppe konzentrieren sich auf die Entwicklung von kontinuierlichen Reaktoren mit hohem Durchsatz, die schnelle Misch- und Aufheizzeiten bei hohen Temperaturen ermöglichen, um hochwertige Halbleiter-Nanopartikel unterschiedlicher Zusammensetzung und Morphologie zu synthetisieren. Zum Beispiel synthetisierten wir erfolgreich nanorods unter Verwendung eines unserer ununterbrochenen Strömungsreaktoren (sehen Sie Abbildung). Wir untersuchen sowohl Cd-haltige als auch Cd-freie Systeme und erreichen Quantenausbeuten von bis zu 60%, was mit kommerziellen Produkten vergleichbar ist.

(5) Fertigungstechnologien für die Mikrofluidik

In unserer Forschungsgruppe erforschen wir verschiedene Fertigungstechnologien, um die Entwicklung mikrofluidischer Bauelemente voranzutreiben. Der Fokus in diesem Bereich liegt darauf, die Integration von Mikrofluidik mit Endanwendungen zu erleichtern. Derzeit forschen wir in zwei Richtungen:

5a. Mikrofluidische Komponenten zur Verbesserung der Portabilität und Skalierung von Geräten:

Das Aufkommen der VLSI-Mikrofluidik (Very Large Scale Integration) hat es ermöglicht, mehrstufige und Hochdurchsatzanwendungen mit massiv parallelen Operationen auf einem einzigen Chip durchzuführen. Der Schlüssel zu diesen Fortschritten war die Entwicklung pneumatischer Mikroventile, die mit weichlithographischen Techniken hergestellt werden. Trotz erfolgreicher Integration derartiger pneumatischer Mikroventile in Mikrofluidikchips für vielfältige Anwendungen erfordern diese Mikroventile sperrige Zusatzgeräte, die die Skalierbarkeit und Portabilität dieser Mikrofluidikchips einschränken. Wir gehen diese Probleme auf zwei Arten an:

Verwendung einer normalerweise geschlossenen (NC) Ventilarchitektur Ventilarchitektur: Geräte, die herkömmliche normalerweise offene (NO) Ventile verwenden, sind in Anwendungen, die einen kontinuierlichen geschlossenen Zustand für den Betrieb erfordern, nur begrenzt portabel, da diese Ventile sperrige Nebenaggregate (Pumpen, Stickstoffgasflaschen, pneumatische Peripheriegeräte) zur Betätigung benötigen. NC-Ventile adressieren nicht nur die oben genannte Einschränkung der eingeschränkten Portabilität, sondern behalten auch die einfache Herstellung und Integration in mikrofluidische Bauelemente bei. Um die Integration von NC-Ventilen zu ermöglichen, verwendeten wir eine Kombination aus analytischer und rechnerischer Modellierung und systematischen Experimenten, um Konstruktionsregeln für die Entwicklung optimaler NC-Ventile mit dem Ziel zu formulieren, Betätigungsdrücke zu minimieren und die Herstellung dieser Ventile zu erleichtern (Mohan et al., Sens. & Handeln. B, 2011). Die Abbildung zeigt den erforderlichen Betätigungsdruck in Abhängigkeit von der Breite des Fluidkanals für verschiedene Mikroventilformen (gerade, V-förmig und achteckig). Wir haben diese Ventile für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet, wie z. B. Protein-Antikörper-Interaktionen, Virusdetektion, Proteinkristallisation, Festform-Screening und die Erforschung anderer Anwendungen (Schudel et al., LOC, 2011; Thorson et al., CrystEngComm, 2012; Guha et al., Sens, & Handeln. B, 2012; Mohan et al., Biosens. & Bioauswahl., 2013; Tice et al., JMEMS, 2013).

Verwendung elektrostatischer Mikroventile als Ersatz oder Ergänzung pneumatischer Mikroventile: Unsere auf elektrostatischer Betätigung basierenden Mikroventile behalten den geringen Platzbedarf (1), für Membrandicken ™ von 5 µm. Der Entwurfsparameterraum wird für das Vorhandensein von Luft (dunkler), Öl (schraffiert) oder Wasser (heller) im fluidischen Kanal geschätzt. Eine weitere interessante Anwendung, die wir untersuchen, ist die Verwendung elektrostatischer Mikroventile zur Steuerung pneumatischer Mikroventile. Diese Kombination aus pneumatischen und elektrostatischen Mikroventilen wird die Zusatzgeräte erheblich vereinfachen und dazu beitragen, das Ziel von ‚Lab-in-a-Chip‘ anstelle von ‚Chip-in-a-Lab‘ zu erreichen.

5b. Neue Werkstoffe und Fertigungsverfahren:

Poly (Dimethylsiloxan) oder PDMS war das bevorzugte Material für die Herstellung von Mikrofluidikvorrichtungen, hauptsächlich weil die Verwendung von PDMS eine einfache, schnelle und kostengünstige Herstellung von Vorrichtungen mit unterschiedlichem Komplexitätsgrad ermöglicht. PDMS weist jedoch mehrere Einschränkungen auf, von denen eine die Unverträglichkeit mit einer Vielzahl organischer Lösungsmittel und Analysetechniken ist. In unserer Forschungsgruppe erforschen wir eine Vielzahl von polymeren Materialien als Alternative zu PDMS zur Herstellung von Mikrofluidikgeräten; einige dieser Materialien sind Thiolen, cyclisches Olefin-Copolymer und Teflon. Wir verwendeten diese Materialien, um mikrofluidische Geräte zu entwickeln, die mit einer Reihe von organischen Lösungsmitteln und Analysetechniken wie Röntgen und Raman kompatibel sind. Wir zeigen auch, dass Hybridgeräte, die die Vorteile verschiedener Materialien kombinieren, überlegene Alternativen zu Geräten mit einem oder zwei Materialien sind.

(6) Emerging microfluidic ‚bio‘ projects

6a. Mikrofluidische Plattformen für die zeitaufgelöste FTIR-Spektroskopie:

Unser übergeordnetes Ziel ist die Entwicklung einer innovativen mikrofluidischen Technologie für die zeitaufgelöste Fourier-Transform-Infrarot (FT-IR)-Spektroskopie biomolekularer Reaktionen oder Wechselwirkungen. Proteinfaltung, Enzymkatalyse und Protein-Ligand-Interaktionen sind entscheidend für die Erhaltung gesunder Zellen und Gewebe. Die Wurzel vieler chronischer oder genetischer Erkrankungen lässt sich auf die Fehlfunktion solcher Reaktionen in Proteinen zurückführen – z. B. die Plaquebildung durch falsch gefaltetes Beta-Amyloid-Peptid bei der Alzheimer-Krankheit.

Untersuchungen zur Aufdeckung von Reaktionsmechanismen auf molekularer und intermolekularer Ebene sind essentiell für die Entwicklung neuartiger Therapeutika vom rationalen Wirkstoffdesign bis zu deren Testung – z. B. können Beta-Amyloid-Faltungswege Ziele aufzeigen, an denen Wirkstoffkandidaten gegen Plaquebildung getestet und optimiert werden können. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu anderen Spektroskopietechniken, einschließlich der Nichtanforderung einer extrinsischen Markierung, der einfachen Probenvorbereitung und der einfachen Erfassung einer Reihe von Informationen (hochauflösende molekulare Details bis hin zu Protein-Protein-Wechselwirkungen mit niedriger Auflösung).

Mehrere Einschränkungen bei aktuellen FTIR-Durchflusszellen, einschließlich geringer Zeitauflösung, Kosten und Anforderung großer Probenvolumina, haben jedoch die weit verbreitete Verwendung von FTIR verhindert. Wir adressieren diese Probleme, indem wir mikrofluidische FITR-Durchflusszellen aus kostengünstigen, IR-transparenten Materialien entwickeln. Vorläufige Ergebnisse mit Ubiquitin haben unseren Ansatz bestätigt und wir optimieren die Flusszelle für die Durchführung von Experimenten mit klinisch relevanten Proteinen. Dieses Projekt ist in Zusammenarbeit mit Prof. Rohit Bhargava in der Abteilung Bioengineering.

6b. Mikrofluidische Technologien zur Verbesserung des Inseltransplantationsprozesses:

Diabetes ist eine verheerende Krankheit, die 25,8 Millionen Amerikaner (8% der Bevölkerung) betrifft. Die humane Inselzelltransplantation ist eine vielversprechende Therapie für Typ-I-Diabetes mellitus (TIDM). Dieses Verfahren ist jedoch nicht sehr reproduzierbar und konsistent. Um die Ergebnisse der Inselzelltransplantation zu verbessern, müssen mehrere klinische, biologische und technische Probleme angegangen werden. In unserer Forschungsgruppe entwickeln wir mikrofluidische Technologien, um einige dieser Probleme anzugehen, einschließlich der Aufrechterhaltung optimaler Bedingungen während der Isolierung von Inseln aus der Spenderpankreas, der Automatisierung des Isolations- und Trennungsprozesses der Inseln und der Erhaltung der Lebensfähigkeit und Funktionalität der Inseln während des Transplantationsprozesses. Dieses Projekt ist in Zusammenarbeit mit Prof. Jose Oberholzer Forschungsgruppe in der Abteilung für Transplantationschirurgie an der University of Illinois in Chicago.

6c. Mikrofluidische Plattform für Freeze-Quench-EPR-Studien:

Die meisten interessanten Phänomene in vielen biochemischen Reaktionen treten während der ersten Millisekunden der Reaktionen auf, z. B. die ATP-Synthese, die durch den Cytochrom-bc1-Komplex vermittelt wird. Strukturelle und funktionelle Studien dieser Zwischenprodukte im Frühstadium werden nicht nur den Mechanismus dieser Reaktionen aufklären, sondern auch ein rationelles Design von Arzneimitteln zur Behandlung von Krankheiten und Störungen ermöglichen, die mit der Fehlfunktion dieser Reaktionen verbunden sind. Die Freeze-Quench-elektronenparamagnetische Resonanz (EPR) ist eine leistungsstarke Technik zur Untersuchung dieser Reaktionen, bei der die Zwischenprodukte dieser Reaktionen schnell eingefroren werden, um weitere Reaktionen zu verhindern, und später mit EPR analysiert werden. Die Einschränkungen der derzeitigen Vorrichtung zur Gefrierabschreckung von EPR, hauptsächlich das langsame Mischen von Reagenzien, haben jedoch die Anwendung dieser Technik zur Untersuchung ultraschneller biochemischer Reaktionen verhindert. In unserer Forschungsgruppe entwickeln wir ein mikrofluidisches Gerät zum schnellen Mischen von Reagenzien (~ 20 µs) und anschließendem Ausstoßen der gemischten Reagenzien in Form eines ultradünnen Strahls auf ein gefrorenes Kupferrad. Wir haben diesen Ansatz mit einer biochemischen Modellreaktion validiert und untersuchen die Anwendung klinisch relevanter biochemischer Reaktionen. Dieses Projekt ist in Zusammenarbeit mit Prof. Tony Crofts von der Abteilung Biochemie.

6d. Bestimmung von Pharma-Target-Wechselwirkungen:

Die gesamte Biologie und im weiteren Sinne die gesamte Pharmakologie hängt von der Wechselwirkung von Proteinen mit anderen Molekülen ab. Die elektronenparamagnetische Resonanz (EPR) in Kombination mit der Spinmarkierung (SLPR) kann verwendet werden, um solche Wechselwirkungen in Echtzeit in vitro oder in vivo nachzuweisen und das Verhältnis von gebundenen zu ungebundenen Proteinen mit minimaler Störung der Biologie zu verfolgen. Dies macht es zu einem idealen Werkzeug, um die Auswirkungen von pharmazeutischen Wirkstoffen auf ihr biologisches Ziel und auf verwandte biochemische Systeme direkt zu untersuchen und die Genauigkeit von Vorhersagen über Wirksamkeit und Toxizität von Wirkstoffkandidaten im Frühstadium der Entwicklung zu verbessern. Aktuelle Nasslabormethoden zur Herstellung der kleinen Proben, die von EPR-Spektrometern benötigt werden, sind jedoch in der Regel verschwenderisch, ungenau und langsam (24 Stunden oder länger). In unserer Gruppe entwickeln wir Geräte zur schnellen und präzisen Markierung von Proteinen, wobei wir die kombinatorische Natur von mikrofluidischen Chips voll ausnutzen, um eine Reihe von Proben in mehreren Konzentrationen oder mit einer Vielzahl von Partnern zu erstellen und bei Bedarf eine On-Chip-Zellkultur zu integrieren. Dieses Projekt ist in Zusammenarbeit mit New Liberty Proteomics.