kémiai és biomolekuláris mérnöki

Paul Kenis Research

mikrokémiai rendszerek: Mikroreaktorok, Mikrofuel sejtek és mikrofluidikus eszközök

Kenis Research Group

a Kenis kutatócsoportban a transzportjelenségek mikroszkálán történő tökéletes ellenőrzésének képességét használjuk ki alapvető jelenségek tanulmányozására (beleértve a fehérje kémiát, a sejtbiológiát) és új technológiák kifejlesztésére számos alkalmazáshoz, beleértve az energiaátalakítást, a kémiai szintézist és az alapvető biológiai vizsgálatokat. Az interdiszciplináris területeken végzett kutatások elvégzéséhez alapvető szakértelmet fejlesztettünk ki az elektrokémiai rendszerek, a mikrokémiai, a mikrofluidikus technológiák jellemzésében, valamint a közlekedési jelenségek analitikai és számítási modellezésében, valamint az analitikai és anyagjellemzési technikákban, mint például a spektroszkópia és a mikroszkópia különböző típusai.

a csoport jelenleg a következő területeken folytat kutatási projekteket:

1. Elektrokémiai rendszerek szén-dioxid átalakítására és üzemanyagcellák
2. Mikrofluidikus platformok fehérjék és gyógyszerek kristályosítására
3. Mikrofluidikus platformok inter és intra-celluláris folyamatok tanulmányozására
4. Mikroreaktorok kémiai szintézishez
5. Mikrofluidikai gyártási technológiák
6. Feltörekvő mikrofluidikus ‘ bio ‘ projektek

1. Elektrokémiai rendszerek szén-dioxid átalakítás és üzemanyagcellák

1a. elektrokémiai csökkentése CO2:

a CO2 szintje a légkörben folyamatosan emelkedik, ami negatív hatást gyakorolt a globális éghajlatra. Több stratégiát kell egyszerre alkalmazni, mint például a szén-dioxid-leválasztás és-megkötés, a tisztább tüzelőanyagokra való áttérés, a megújuló energiaforrások felhasználásának bővítése és az épületek energiahatékonyságának növelése. A CO2 elektrokémiai csökkentése hozzáadott értékű vegyi anyagokká vagy köztitermékekké egy másik megközelítés e kihívás kezelésére. Ezt a folyamatot a szakaszos megújuló forrásokból származó többletenergia vezérelheti, ezáltal eszközt biztosítva a szakaszos megújuló energia feleslegének tárolására, miközben egyidejűleg újrahasznosítja a CO2-t energiahordozóként. Ezenkívül a CO2 vegyipari termelés kiindulási anyagaként történő felhasználásával csökken a társadalom fosszilis tüzelőanyagoktól való függősége.

a CO2 elektrokémiai redukciójához csoportunk célja a termékszelektivitás, az energetikai hatékonyság és a konverziós arány javítása új katalizátorok kifejlesztésével, megfelelő elektrolitok alkalmazásával, valamint az elektróda szerkezetének és a reaktor kialakításának optimalizálásával. Például a cella túlpotenciálját 0-nál kisebbre csökkentettük.2 V 1-etil-3-metil-imidazolium-tetrafluoroborátot (EMIM BF4) tartalmazó vizes oldat alkalmazásával, amely feltehetően stabilizálja a reakció köztitermékét (Rosen et al. Tudomány, 2011). Kifejlesztettünk ezüst alapú fémorganikus katalizátorokat is, amelyek magas katalitikus aktivitást mutatnak alacsony Ag terhelés mellett (Thorson et al., J. Am. Kémia. Soc., 2012). Hordozóanyagként a TiO2-t az Ag részecskeméret minimalizálására és a katalizátor aktivitásának növelésére használják, ami drasztikusan alacsonyabb Ag terhelést eredményez anélkül, hogy feláldozná a teljesítményt a CO2 CO-ra történő csökkentése érdekében (Ma et al., ChemSusChem, 2014). Ezenkívül a katalizátorréteg szerkezetének megtervezése olyan megközelítést biztosít, amely maximalizálja a katalizátor kihasználtságát és az általános teljesítményt. Az automatizált airbrushed katalizátor lerakódási módszer nagy teljesítményt eredményezett a CO2 csökkentésében, csökkent katalizátorterheléssel, miközben a nem kívánt H2 evolúciót elnyomták (Jhong et al., ADV. Energia Mater., 2013).

jelenleg folytatjuk a kutatást a jobb katalizátorok, elektródák és működési feltételek felé a CO2 elektrokémiai átalakításához érdekes vegyi anyagokká. E munka egy része másokkal együttműködve történik: Nakashima, Lyth Kyushuban, Japánban; és Rich Masel a dioxid anyagoknál.

1b. üzemanyagcella:

(2) mikrofluidikus platformok fehérjék vagy gyógyszerek kristályosításához

a fehérjék és gyógyszerek kristályosítása gyorsan nagyon költséges lehet, mivel az optimális kristályosodási körülmények szűréséhez nagy mennyiségű anyag szükséges. Annak ellenére, hogy rendelkezésre állnak olyan automatizált robotkristályosító szűrőeszközök, amelyek nanoliter méretű cseppeket tudnak felhasználni, a szükséges nagy tőkebefektetés az ilyen eszközöket csak néhány jól finanszírozott laboratórium vagy kristályosító központ számára teszi praktikussá. A fehérje-és gyógyszerészeti kristályosítás mikrofluidikus platformjai (i) lehetővé teszik a nagy áteresztőképességű szűrést és a kristályosítási feltételek optimalizálását, miközben kísérletenként néhány nanolitert használnak; (ii) egyszerűen használható, költséghatékony alternatívája a kristályosító robotoknak az átlagos laboratórium számára; és (iii) kompatibilisek az analitikai technikákkal az anyagok megfelelő kiválasztásával (pl. Nagy röntgensugárzás, UV és IR átvitel). Mivel röntgensugár átlátszó, chipjeinket közvetlenül egy Röntgensugárba lehet felszerelni az adatgyűjtés érdekében, megkerülve a kristályok kézi betakarításának lépését. Mikrofluidikus platformjaink lehetővé teszik a kristályosodás alapvető tudományának (kristályvetés, magképződés és növekedési sebesség), valamint az alkalmazott tudomány (szerkezeti elemzés, szilárd forma szűrés) tanulmányozását mind a fehérje, mind a gyógyszerészeti kristályosítás szempontjából.

2a. membránfehérje kristályosítás:

a membránfehérjék (MPS) a sejtmembránon belül helyezkednek el, és közvetítőként működnek a jel, az energia és az anyag transzdukciójában a sejtbe és a sejtből. Nem meglepő, hogy a membránfehérjék meghibásodása számos betegséghez kapcsolódik (Quick and Javitch, PNAS, 2007). Az MPs tehát általános kábítószer-célpontok. Különböző elemzések azt mutatták, hogy az MPs az Escherichia coli, a Saccharomyces cerevisae és a Homo sapiens (Seddon et al., BBA-Biomembránok, 2004). annak ellenére, hogy elsöprő túlsúlyuk van a sejtben, az MPs a fehérje adatbankjában lerakódott fehérjeszerkezetek kevesebb mint 1% – át teszi ki. A membránfehérjék szerkezetének meghatározását hátráltatták az alacsony bőség és a bennük rejlő amfifilitás miatt elegendő mennyiségű fehérje megszerzésének nehézségei, valamint az ezt követő kristályosodási nehézségek. Csoportunkban röntgen transzparens mikrofluidikus platformokat fejlesztettünk ki az in surfo és a mezo MP kristályosításhoz. Ezen kívül kutatásunk magában foglalja a röntgen transzparens platformokat, amelyek lehetővé teszik a lipid köbös fázisdiagramok tanulmányozását és a mikroseed mátrix szűrést, két hatékony, de jellemzően megközelíthetetlen kristályosítási technikát a membránfehérjék számára. Kutatásunk általános célja, hogy nagy, jól rendezett (“diffrakciós minőségű”) kristályokat kristályosítsunk röntgensugár-elemzéshez és szerkezet-tisztázáshoz. Számos célpontot kristályosítottunk és megoldottuk szerkezetüket kizárólag a chipen gyűjtött adatok felhasználásával a jelenlegi erőfeszítések A légzőmembrán fehérjék kristályosítására összpontosítanak, együttműködve Prof. Robert Gennis, Biokémiai Tanszék.

2b. a jelölt gyógyszerek szilárd formájú szűrése:

a gyógyszerészeti gyógyszerek felfedezésének korai szakaszában a tudósok olyan aktív gyógyszerészeti összetevők (API-k) szilárd formáit keresik, amelyek megfelelő fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek (azaz oldhatóság, biohasznosulás, stabilitás), amelyek később áthaladhatnak a gyógyszerfejlesztési csővezetéken. Sajnos a hagyományos szűrési eljárások (kútlemezek) alkalmazásával optimalizált tulajdonságokkal rendelkező API kristályos szilárd formájának megtalálásának sikerét korlátozza a gyógyszer felfedezésének korai szakaszában rendelkezésre álló kis mennyiségű API. Ennek a kérdésnek a kezelésére kifejlesztettünk mikrofluidikus platformokat a gyógyszeripari szilárd forma szűrésére azzal a céllal, hogy (i) csökkentse a szilárd forma szűréséhez szükséges aktív gyógyszerészeti összetevők (API-k) mennyiségét, (ii) növelje a kompatibilitást a szilárd forma szűrési platform és az analitikai eszközök között, és (iii) meghatározza, hogy a szilárd forma szűrésének mikrofluidikus megközelítése lehetővé teszi-e az új szilárd formák tisztázását. Validáltuk a mikrofluidikus platformokat a szabad interfészdiffúzió alapján (Thorson et al., LOC, 2011) és a kontrollált párolgás (Goyal et al., LOC, 2013), amelyek nagyságrenddel csökkentik a szilárd formájú szűrési feltételekhez szükséges API mennyiségét (5 mg-tól 5-ig), összehasonlítható eredményekkel a hagyományos párolgáson alapuló szilárd formájú szűrési kísérletekkel. A mintamennyiség csökkentése lehetővé teszi a tudósok számára, hogy szilárd formájú képernyőket hajtsanak végre a gyógyszerfelfedezési folyamat korábbi szakaszában, amikor minimális mennyiségű API áll rendelkezésre, és lehetővé teszi az új szilárd formák felfedezését lehetővé tevő szélesebb körű képernyőt. A mikrofluid platformokat úgy terveztük, hogy optikailag átlátszóak legyenek, lehetővé téve a kristályos szilárd anyagok könnyű azonosítását, és minimális jelet mutassanak a Raman spektroszkópiában és a Röntgendiffrakcióban, lehetővé téve a szilárd formák chipen történő azonosítását (Goyal et al. Crys. Növekedés & Des., 2012). Jelenleg kutatásokat folytatunk az ismeretlen kokristályok kristályszerkezeteinek megoldására mikrofluid platformunk felhasználásával a diffrakciós minőségű kristályok termesztésére. Ez a munka az AbbVie-vel együttműködve történik.

(3) mikrofluidikus platformok sejtvizsgálatokhoz

a mikrofluidikus platformok számos olyan jellemzőt biztosítanak, amelyek jobban megkönnyítik a celluláris és sejtközi folyamatok tanulmányozását, mint a hagyományos petri-csésze vagy jól lemez alapú technikák. Ilyen például az a képesség, hogy az egyes sejteket erősen ellenőrzött környezetben tanulmányozzák, a celluláris mikrokörnyezet felett a térben és időben, valamint a különböző típusú mikroszkópokkal való kényelmes integráció. Csoportunkban mikrofluidikus platformokat fejlesztünk a következő alkalmazásokhoz:

3a. Antibiotikum érzékenységi vizsgálat:

a klinikai fertőzések hatékony kezelése kritikusan függ a betegminták gyors szűrésének képességétől a fertőző kórokozók antibiotikumokkal szembeni érzékenységének azonosítása érdekében. Az antibiotikum-érzékenységi vizsgálat (AST) meglévő módszerei számos problémát szenvednek, beleértve a hosszú átfutási időket (napok), a minta-és reagensfelesleget, a gyenge detektálási érzékenységet és a korlátozott kombinatorikus képességeket. Ezek a tényezők kizárják a megfelelő antibiotikumok időben történő alkalmazását, megnehezítve a fertőzések kezelését és súlyosbítva az antibiotikum-rezisztencia kialakulását.

ezeknek a problémáknak a kezelésére olyan mikrofluidikus platformokat fejlesztünk ki az AST számára, amelyek számos előnnyel rendelkeznek a hagyományos módszerekhez képest, beleértve a nagyobb detektálási érzékenységet, a gyors eredményeket (<6 óra), a reagensek csökkentett fogyasztását és a kvantitatív eredményeket. Például, együttműködve Prof. Mikrofluidikus platformjainkat különböző patogén baktériumok, például az E. coli, a P. aeruginosa és a K. pneumoniae érzékenységének tanulmányozására használtuk különböző antibiotikumokkal szemben (Mohan et al. Bioszenek. & Bioelect., 2013). A platformot arra is felhasználtuk, hogy tanulmányozzuk a különböző baktériumfajok (polimikrobiális tenyészetek) közötti kölcsönhatásokat, valamint ezeknek a kölcsönhatásoknak az antibiotikum-érzékenységre gyakorolt hatását. Jelenleg a mikrofluidikus platformot alkalmazzuk a kapott kísérleti adatok felhasználásával együtt farmakokinetikai-farmakodinámiás (PK/PD) modellezés, hogy jobb információt nyújtsunk az adott fertőzés kezelésének legjobb módja felé.

3b. sejtek vizsgálata ellenőrzött oxigén körülmények között:

ahogy a daganatok kifelé nőnek a helyi vaszkuláris architektúrától, változó hipoxiás (szubfiziológiai szöveti oxigenizáció) régiók alakulnak ki az egész szilárd tömegben. Ezek a hipoxiás régiók terápiás rezisztenciával, metabolikus újraprogramozással és az epithelialis-mesenchymalis átmenettel társultak. Sok kérdés marad a hipoxia ezekre az eredményekre gyakorolt hatásával kapcsolatban, mégis csak kevés módszer teszi lehetővé mind az oxigénkoncentráció pontos ellenőrzését, mind a sejtek viselkedésének valós idejű képalkotását. A mikrofluidikus platformok különösen alkalmasak az oxigénkoncentráció szabályozására, miközben lehetővé teszik a valós idejű képalkotást az időbeli és térbeli kémiai körülmények ellenőrzése miatt. A helyi mikrokörnyezet ellenőrzése mellett a mikrofluidikus platformokban a hagyományos módszerekhez képest csökkentett hosszúsági skála rövidebb egyensúlyi időt biztosít. A mikrofluidikus platformok előnyeit kihasználva kifejlesztettünk egy tömbös eszközt, amely képes 0,5% – ról 21% – ra szabályozni az oxigénkoncentrációt. Rex Gaskins professzorral (Állattudományi Tanszék) együttműködve ezeket a platformokat használjuk az organelláris redoxpotenciál valós idejű változásainak tanulmányozására a rákos sejtekben hipoxia alatt.

(4) kémiai szintézis mikroreaktorokban

a Mikroreaktorok számos előnyt nyújtanak a kémiai szintézis tanulmányozásához és tényleges végrehajtásához a hagyományos nedves laboratóriumi megközelítésekhez képest. Például a kisebb, precízen megtervezett platformok fokozott hő-és tömegátadást, csökkentett reagensfogyasztást biztosítanak, és jobban alkalmasak az automatizálásra. Csoportunkban mikroreaktorokat fejlesztünk a következő alkalmazásokhoz:

4a. radiofarmakonok szintézise:

a radiofarmakonok olyan gyógyszerek egy csoportja, amelyeket számos betegség és rendellenesség diagnosztizálására és kezelésére használnak, beleértve a rák és a szívbetegségek bizonyos típusait. Ezeknek a gyógyszereknek a szintéziséhez szükséges prekurzorok mennyisége általában kicsi (néhány mikroliter) a korlátozott rendelkezésre állás, a magas költségek és a biztonságosan kezelhető radioaktivitás mennyiségének felső korlátai miatt. A hagyományos ‘wet-lab’ módszerek képtelensége az alacsony reagensmennyiségek hatékony manipulálására nemcsak alacsony minőségű gyógyszerek szintéziséhez vezet klinikai alkalmazásokhoz, hanem akadályozza az új gyógyszerek kifejlesztését is. Megpróbáljuk megoldani ezeket a kérdéseket mikrofluidikus technológiák fejlesztésével, vagy jobb mikroreaktorok, ezen radiofarmakonok szintéziséhez. A különböző mikrofluid modulok integrálásával azt képzeljük el, hogy ezek a vegyületek sokkal megbízhatóbban és nagyobb hozammal állíthatók elő.

megmutattuk, hogy a mikrofluidikus technológiák számos előnyt nyújtanak minden lépésnél a hagyományos módszerekhez képest, beleértve a jobb reakcióhozamokat, a reagensek csökkentett fogyasztását és az automatizálás alkalmasságát (Goyal et al., Sens. & Törvény. B, 2014; Hairong et al., LOC, 2014; Hairong et al., Bioconj. Kémia., 2014; Zeng et al., Nuc. Med. & Bio., 2013; Wheeler et al., LOC, 2010). Jelenleg tovább optimalizáljuk a mikroreaktorokat, és egy integrált rendszert fejlesztünk klinikai és kutatási célokra. Ez a projekt együttműködve Prof. David Reichert kutatócsoportja a St. Louis-i Washington Egyetem radiológiai kémiai tanszékén.

4B. Mikroreaktorok kvantumpont szintézishez:

a fluoreszkáló félvezető nanorészecskék ígéretet mutatnak a szilárdtest-világítási és megjelenítési technológiában a lényegesen magasabb fotolumineszcencia és a jobb spektrális viselkedés miatt, mint a hagyományos foszfor technológia. Ezeknek a nanorészecskéknek az orvosi képalkotásban és a kvantumszámításban is van potenciális felhasználása. A magas termelési költségek részben a kiváló minőségű, monodiszperz nanorészecskék előállításának megbízható módszereinek hiánya miatt jelenleg nagymértékben gátolják azok széles körű használatát. A hagyományos kötegelt szintézis módszerek különösen szenvednek a nanoanyagok minőségének tételenkénti változatosságától. A szakaszos szintézisek a lassú hő – és tömegátadás miatt nem képesek pontosan ellenőrizni a nanorészecskék méretét, morfológiáját és összetételét. A folyamatos áramlású reaktorok potenciális megoldást kínálnak ezekre a problémákra. A Kenis csoport erőfeszítései a nagy áteresztőképességű folyamatos reaktorok fejlesztésére összpontosítanak, amelyek gyors keverési és melegítési időt biztosítanak magas hőmérsékleten, hogy kiváló minőségű, különböző összetételű és morfológiájú félvezető nanorészecskéket szintetizáljanak. Például sikeresen szintetizáltuk a nanorodokat az egyik folyamatos áramlású reaktorunk segítségével (lásd az ábrát). Mind a Cd-t tartalmazó, mind a Cd-mentes rendszereket tanulmányozzuk, elérve a 60% – os kvantumhozamot, ami összehasonlítható a kereskedelmi termékekkel.

(5) mikrofluidikai gyártási technológiák

kutatócsoportunkban különféle gyártási technológiákat vizsgálunk a mikrofluidikus eszközök fejlesztésének előmozdítása érdekében. Ezen a területen a hangsúly a mikrofluidika és a végfelhasználók integrációjának megkönnyítésére irányul. Jelenleg két irányban folytatunk kutatásokat:

5a. mikrofluidikus komponensek az eszközök hordozhatóságának és skálázhatóságának növelése érdekében:

a VLSI (very large scale integration) mikrofluidika megjelenése lehetővé tette a többlépcsős és nagy áteresztőképességű alkalmazások tömeges párhuzamos műveletekkel történő végrehajtását egyetlen chipen. Ezeknek az előrelépéseknek a kulcsa a pneumatikus mikroszelepek fejlesztése volt, amelyeket lágy litográfiai technikákkal gyártanak. Annak ellenére, hogy az ilyen pneumatikus mikroszelepeket sikeresen integrálták a mikrofluidikus chipekbe különböző alkalmazásokhoz, ezek a mikroszelepek nagyméretű tartozékokat igényelnek, amelyek korlátozzák ezeknek a mikrofluidikus chipeknek a skálázhatóságát és hordozhatóságát. Ezeket a kérdéseket két módon kezeljük:

normál zárású (NC) szeleparchitektúra használata szeleparchitektúra: a hagyományos, Normálisan nyitott (NO) szelepeket alkalmazó eszközök hordozhatósága korlátozott azokban az alkalmazásokban, amelyek folyamatos zárt állapotot igényelnek a működéshez, mivel ezeknek a szelepeknek terjedelmes kiegészítőkre (szivattyúkra, nitrogéngázpalackokra, pneumatikus perifériákra) van szükségük a működtetéshez. Az NC szelepek nemcsak a korlátozott hordozhatóság fenti korlátozásával foglalkoznak, hanem megőrzik a gyártás egyszerűségét és a mikrofluidikus eszközökbe való integrációt is. Az NC szelepek integrálásának lehetővé tétele érdekében analitikai és számítási modellezés, valamint szisztematikus kísérletek kombinációját alkalmaztuk az optimális NC szelepek kialakításának tervezési szabályainak megfogalmazására azzal a céllal, hogy minimalizáljuk a működtetési nyomást és megkönnyítsük ezen szelepek gyártását (Mohan et al., Sens. & Törvény. B, 2011). Az ábra a folyadékcsatorna szélességének függvényében szükséges működtetési nyomást mutatja a különböző mikroszelepes alakzatokhoz (egyenes, v alakú, ésdiagonális). Ezeket a szelepeket különböző alkalmazásokhoz használtuk, mint például a fehérje-antitest kölcsönhatások vírus detektálása, fehérje kristályosítás, szilárd forma szűrés és más alkalmazások feltárása (Schudel et al., LOC, 2011; Thorson et al., CrystEngComm, 2012; Guha et al., Sens, & Törvény. B, 2012; Mohan et al., Bioszenzusok. & Bioelect., 2013; Tice et al., JMEMS, 2013).

elektrosztatikus mikroszelepek használata a pneumatikus mikroszelepek helyettesítésére vagy kiegészítésére: Az elektrosztatikus működtetésen alapuló mikroszelepeink megtartják a kis lábnyomot ( 1), membránvastagság esetén 5 mm-től 5 mm-ig. A tervezési paraméter helyét a levegő (sötétebb), olaj (kikelt) vagy víz (könnyebb) jelenlétére becsülik a fluid csatornában. Egy másik érdekes alkalmazás, amelyet vizsgálunk, az elektrosztatikus mikroszelepek használata a pneumatikus mikroszelepek vezérlésére. A pneumatikus és elektrosztatikus mikroszelepek ezen kombinációja nagymértékben leegyszerűsíti a tartozékokat, és elősegíti a ‘lab-in-a-chip’ céljának megvalósítását a ‘chip-in-a-lab’helyett.

5b. Új anyagok és gyártási folyamatok:

Poli (dimetilsziloxán) vagy PDMS volt az előnyben részesített anyag a mikrofluidikai eszközök gyártásához, főleg azért, mert a PDMS használata lehetővé teszi a különböző bonyolultságú eszközök egyszerű, gyors és olcsó gyártását. A PDMS-nek azonban számos korlátja van, amelyek közül az egyik legfontosabb a szerves oldószerek és analitikai technikák széles skálájával való összeférhetetlenség. Kutatócsoportunkban különféle polimer anyagokat vizsgálunk a PDM-ek alternatívájaként a mikrofluidikai eszközök gyártásához; ezen anyagok közül néhány a tiolén, a ciklikus-olefin kopolimer és a Teflon. Ezeket az anyagokat olyan mikrofluidikus eszközök kifejlesztésére használtuk, amelyek kompatibilisek számos szerves oldószerrel és analitikai technikával, mint például a röntgen és a Raman. Azt is megmutatjuk, hogy a különböző anyagok előnyeit ötvöző hibrid eszközök kiváló alternatívái az egy vagy két anyagból álló eszközöknek.

(6) kialakulóban lévő mikrofluidikus ‘ bio ‘ projektek

6a. mikrofluidikus platformok időfelbontású FTIR spektroszkópiához:

általános célunk egy innovatív mikrofluidikus technológia kifejlesztése a biomolekuláris reakciók vagy kölcsönhatások időben megoldott Fourier-transzformációs infravörös (FT-IR) spektroszkópiájához. A fehérje hajtogatása, az enzimkatalízis és a fehérje-ligandum kölcsönhatások kritikusak az egészséges sejtek és szövetek fenntartásához. Számos krónikus vagy genetikai betegség gyökere az ilyen reakciók hibás működésére vezethető vissza a fehérjékben – például az Alzheimer-kórban rosszul összehajtott béta-amiloid peptid plakkképződése.

a molekuláris és intermolekuláris szintű reakciómechanizmusok feltárására irányuló vizsgálatok elengedhetetlenek az új terápiák kifejlesztéséhez a racionális gyógyszertervezéstől kezdve a tesztelésig – például a béta-amiloid hajtogatási utak olyan célokat tárhatnak fel, amelyeken a plakkképződés elleni jelölt gyógyszerek tesztelhetők és optimalizálhatók. A Fourier transzformációs infravörös (FTIR) spektroszkópia számos előnnyel jár más spektroszkópiai technikákhoz képest, beleértve a külső címkézés követelményét, az egyszerű minta előkészítést és az információk széles körének egyszerű megszerzését (nagy felbontású molekuláris részletek az alacsony felbontású fehérje-fehérje kölcsönhatásokhoz).

azonban a jelenlegi FTIR áramlási cellákkal kapcsolatos számos korlátozás, beleértve az alacsony időfelbontást, a költségeket és a nagy mintamennyiségek követelményét, megakadályozta az FTIR széles körű használatát. Ezeket a kérdéseket úgy kezeljük, hogy mikrofluidikus FITR áramlási cellákat fejlesztünk ki alacsony költségű, IR-átlátszó anyagokból. Az ubiquitinnel végzett előzetes eredmények igazolták megközelítésünket, és optimalizáljuk az áramlási sejtet klinikailag releváns fehérjékkel végzett kísérletek elvégzéséhez. Ez a projekt Rohit Bhargava professzorral együttműködve zajlik a biomérnöki Tanszéken.

6b. mikrofluidikus technológiák a szigetecske-transzplantációs folyamat javítására:

a cukorbetegség pusztító betegség, amely 25, 8 millió amerikait (a lakosság 8% – át) érinti. Az emberi szigetecske-transzplantáció ígéretes terápia az I. típusú diabetes mellitus (TIDM) kezelésére. Ez az eljárás azonban nem nagyon reprodukálható és következetes. A szigetecske-transzplantáció eredményeinek javítása érdekében számos klinikai, biológiai és mérnöki kérdést kell kezelni. Kutatócsoportunkban mikrofluidikus technológiákat fejlesztünk ezen kérdések némelyikének kezelésére, beleértve az optimális feltételek fenntartását a szigetek donor hasnyálmirigyből történő izolálása során, a szigetecske izolálási és elválasztási folyamatának automatizálását, valamint a szigetecske életképességének és funkcionalitásának megőrzését a transzplantációs folyamat során. Ez a projekt Jose Oberholzer professzor kutatócsoportjával együttműködve a Chicagói Illinoisi Egyetem Transzplantációs Sebészeti Osztályán működik együtt.

6c. mikrofluidikus platform fagyasztás-oltó EPR vizsgálatokhoz:

számos biokémiai reakcióban a legtöbb érdekes jelenség a reakciók első néhány milliszekundumában fordul elő, például a citokróm bc1 komplex által közvetített ATP szintézis. Ezeknek a korai stádiumú köztes termékeknek a szerkezeti és funkcionális vizsgálata nemcsak a reakciók mechanizmusát tisztázza, hanem lehetővé teszi a gyógyszerek ésszerű tervezését az ilyen reakciók hibás működésével járó betegségek és rendellenességek kezelésére. Freeze-quench elektron paramágneses rezonancia (EPR) egy hatékony technika ezeknek a reakcióknak a tanulmányozására, ahol ezeknek a reakcióknak a köztes termékeit gyorsan lefagyasztják a további reakciók megelőzése érdekében, majd később EPR segítségével elemzik. Az EPR fagyasztására szolgáló jelenlegi berendezés korlátai, elsősorban a reagensek lassú keverése, megakadályozták ennek a technikának az alkalmazását az ultragyors biokémiai reakciók tanulmányozására. Kutatócsoportunkban egy mikrofluidikus eszközt fejlesztünk a reagensek gyors keverésére (~20 ft), majd a kevert reagensek ultravékony sugár formájában történő kilökésére egy fagyasztott réz kerékbeállításra. Ezt a megközelítést egy modell biokémiai reakcióval validáltuk, és klinikailag releváns biokémiai reakciók alkalmazását vizsgáljuk. Ez a projekt Tony Crofts professzorral, a biokémiai tanszékről működik együtt.

6D. a gyógyszer-cél kölcsönhatások meghatározása:

az egész biológia és tágabb értelemben a farmakológia a fehérjék és más molekulák kölcsönhatásától függ. Az elektron paramágneses rezonancia (EPR) a Spin címkézéssel (SLEPR) kombinálva felhasználható az ilyen kölcsönhatások valós időben történő kimutatására, in vitro vagy in vivo, valamint a nem kötött fehérjékhez kötött Arány nyomon követésére, a biológia minimális zavarásával. Ez ideális eszköz a gyógyszerkészítmények biológiai célpontra és a kapcsolódó biokémiai rendszerekre gyakorolt hatásainak közvetlen tanulmányozására, javítva a gyógyszerjelöltek hatékonyságának és toxicitásának korai fejlődési előrejelzéseinek pontosságát. Az EPR spektrométerek által megkövetelt kis minták előkészítésére szolgáló jelenlegi nedves laboratóriumi módszerek azonban pazarló, pontatlan és lassú (legalább 24 órát vesz igénybe). Csoportunkban a fehérjék gyors és pontos címkézésére szolgáló eszközöket fejlesztünk, teljes mértékben kihasználva a mikrofluidikus chipek kombinatorikus jellegét, hogy több koncentrációban vagy különböző partnerekkel hozzanak létre mintasorozatot, és szükség esetén beépítsék a chipen lévő sejttenyészetet. Ez a projekt együttműködik a New Liberty Proteomics céggel.