Chemical and Biomolecular Engineering

Paul Kenis Research

Microchemical Systems: Microreactors, Microfuel Cells, and Microfluidic Tools

Kenis Research Group

in de Kenis onderzoeksgroep gebruiken we de mogelijkheid van uitstekende controle over transportfenomenen op microschaal om fundamentele fenomenen te bestuderen (waaronder eiwitchemie, celbiologie) en om nieuwe technologieën te ontwikkelen voor een scala aan toepassingen, waaronder energieconversie, chemische synthese en fundamentele biologische studies. Om onderzoek te doen in deze interdisciplinaire gebieden, hebben we kernexpertise ontwikkeld in de karakterisering van elektrochemische systemen, microfabricatie, microfluïdische technologieën, evenals analytische en computationele modellering van transportfenomenen, en analytische en materiaalkarakterisatietechnieken zoals verschillende soorten spectroscopie en microscopie.

momenteel voert de groep onderzoeksprojecten uit op de volgende gebieden:

1. Elektrochemische systemen voor de omzetting van kooldioxide en brandstofcellen
2. Microfluïdische platforms voor kristallisatie van eiwitten en geneesmiddelen
3. Microfluïdische platforms voor het bestuderen van inter-en intracellulaire processen
4. Microreactoren voor chemische synthese
5. Fabricagetechnologieën voor microfluïdica
6. Opkomende microfluidic ” bio ” projecten

1. Elektrochemische systemen voor de omzetting van kooldioxide en brandstofcellen

1a. elektrochemische reductie van CO2:

de CO2-niveaus in de atmosfeer zijn gestaag gestegen, wat heeft geleid tot een negatieve impact op het mondiale klimaat. Meerdere strategieën, zoals koolstofafvang en-opslag, overschakeling op schonere brandstoffen, uitbreiding van het gebruik van hernieuwbare energiebronnen en verhoging van de energie-efficiëntie van gebouwen, moeten tegelijkertijd worden ingezet om deze stijging te beteugelen. Elektrochemische reductie van CO2 tot chemicaliën met toegevoegde waarde of hun tussenproducten is een andere aanpak om deze uitdaging aan te pakken. Dit proces kan worden aangedreven door het overtollige vermogen van intermitterende hernieuwbare bronnen, waardoor een middel wordt geboden om overtollige intermitterende hernieuwbare energie op te slaan en tegelijkertijd CO2 als energiedrager te recycleren. Bovendien wordt de afhankelijkheid van de samenleving van fossiele brandstoffen verminderd door CO2 als grondstof voor de chemische productie te gebruiken.

voor de elektrochemische reductie van CO2 streeft onze groep naar het verbeteren van de productselectiviteit, energetische efficiëntie en conversiesnelheid door de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren, toepassing van geschikte elektrolyten en optimalisatie van de elektrodestructuur en het reactorontwerp. We hebben bijvoorbeeld de cel overpotentiaal verminderd tot minder dan 0.2 V door gebruik te maken van een waterige oplossing met 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluorboraat (EMIM BF4), die vermoedelijk een reactiemedium stabiliseert (Rosen et al. Wetenschap, 2011). We ontwikkelden ook op zilver gebaseerde organometaalkatalysatoren die een hoge katalytische activiteit vertonen bij lage AG-belasting (Thorson et al., J. Am. Scheikunde. Soc., 2012). Als ondersteuningsmateriaal wordt TiO2 gebruikt om de AG-deeltjesgrootte te minimaliseren en de katalysatoractiviteit te verhogen, wat resulteert in een drastisch lagere AG-belasting zonder de prestaties op te offeren aan het verminderen van CO2 tot CO (Ma et al., ChemSusChem, 2014). Ook, engineering van de katalysator laag structuur biedt een aanpak om de katalysator gebruik en de algehele prestaties te maximaliseren. Een geautomatiseerde airbrushed katalysator depositie methode leidde tot hoge prestaties op CO2 reductie met verminderde katalysator belasting terwijl ongewenste H2 evolutie werd onderdrukt (Jhong et al. ADV. Energy Mater., 2013).

momenteel blijven wij onderzoek verrichten naar betere katalysatoren, elektroden en bedrijfsomstandigheden voor de elektrochemische omzetting van CO2 in interessante chemicaliën. Sommige van dit werk is in samenwerking met anderen: Nakashima, Lyth in Kyushu, Japan; en rijke Masel bij Dioxide materialen.

1b. brandstofcellen:

(2) Microfluidic platforms voor kristallisatie van eiwitten of geneesmiddelen

kristallisatie van eiwitten en geneesmiddelen kan snel erg duur worden vanwege de grote hoeveelheden materiaal die nodig zijn voor screening voor optimale kristallisatieomstandigheden. Ondanks de beschikbaarheid van geautomatiseerde robotkristallisatie screening instrumenten die kunnen gebruik maken van nanoliter-sized druppels, de grote investering in kapitaal vereist maakt dergelijke instrumenten praktisch alleen voor een paar goed gefinancierde laboratoria of kristallisatiecentra. Onze microfluïdische platforms voor eiwit-en farmaceutische kristallisatie (I) maken high-throughput screening en optimalisatie van kristallisatiecondities mogelijk terwijl ze een paar nanoliters per proef gebruiken; (ii) zijn eenvoudig te gebruiken, kosteneffectief alternatief voor kristallisatierobots voor het gemiddelde laboratorium; en (iii) compatibel zijn met analysetechnieken door geschikte selectie van materialen (bijvoorbeeld hoge transmissie van X-ray, UV en IR). Omdat X-ray transparant, kunnen onze chips direct worden gemonteerd in een X-ray beam Voor het verzamelen van gegevens omzeilen van de stap van het handmatig oogsten van de kristallen. Onze microfluidic platforms maken studies van fundamentele wetenschap van kristallisatie (kristal zaaien, nucleatie en groeisnelheden) evenals toegepaste wetenschap (structurele analyse, solid form screening) voor zowel eiwit en farmaceutische kristallisatie.

2a. Membraaneiwitkristallisatie:Membraaneiwitten (MPs) bevinden zich binnen het cellulaire membraan en fungeren als mediatoren voor signaal, energie en materiaaltransductie in en uit de cel. Niet verrassend, de storing van membraaneiwitten is gekoppeld aan tal van ziekten (Quick and Javitch, PNAS, 2007). MP ‘ s zijn dus gemeenschappelijke drugsdoelwitten. Verschillende analyses hebben uitgewezen dat MPs bijna 30% van de eiwitten vormen die gecodeerd zijn in de genomen van Escherichia coli, Saccharomyces cerevisae en Homo sapiens (Seddon et al., Bba-Biomembranes, 2004). ondanks hun overweldigende overwicht in de cel, zijn MPs verantwoordelijk voor minder dan 1% van de eiwitstructuren die in de Eiwitdatabank worden gedeponeerd. De structuurbepaling van membraanproteã NEN is gehinderd door moeilijkheden in het verkrijgen van voldoende hoeveelheden van de proteã nen toe te schrijven aan lage overvloed en hun inherente amphifilicity, en latere moeilijkheden in kristallisatie. In onze groep hebben we X-ray transparante microfluïdische platforms ontwikkeld voor in surfo en in Meso MP kristallisatie. Daarnaast omvat ons onderzoek X-ray transparante platforms die de studie van lipidische kubieke fase diagrammen en microseed matrix screening mogelijk maken, twee krachtige maar typisch ontoegankelijke kristallisatietechnieken voor membraaneiwitten. Het algemene doel van ons onderzoek is het kristalliseren van grote, goed geordende (“diffractie-kwaliteit”) kristallen voor röntgenanalyse en structuur opheldering. We hebben verschillende doelen gekristalliseerd en hun structuren opgelost met behulp van gegevens die uitsluitend zijn verzameld op chip huidige inspanningen zijn gericht op het kristalliseren van respiratoire membraaneiwitten in samenwerking met Prof. Robert Gennis, Departement Biochemie.

2b. screening in vaste vorm van kandidaat-geneesmiddelen:

in de vroege stadia van de ontdekking van farmaceutische geneesmiddelen zoeken wetenschappers naar vaste vormen van Actieve Farmaceutische Ingrediënten (API ‘ s) met de juiste fysische en chemische eigenschappen (d.w.z. oplosbaarheid, biologische beschikbaarheid, stabiliteit) die later door de ontwikkelingspijplijn voor geneesmiddelen kunnen bewegen. Helaas, succes in het vinden van een kristallijne vaste vorm van een API met geoptimaliseerde eigenschappen met behulp van conventionele screening procedures (goed platen) wordt beperkt door kleine hoeveelheid API beschikbaar tijdens de vroege stadia van drug discovery. Om dit probleem aan te pakken hebben we microfluïdische platforms ontwikkeld voor het screenen van farmaceutische vaste vormen met als doel (i) de hoeveelheid actieve farmaceutische ingrediënten (API ‘ s) te verminderen die nodig zijn voor het screenen van vaste vorm, (ii) de compatibiliteit tussen het screeningsplatform van vaste vorm en analytische instrumenten te verhogen, en (iii) te bepalen of een microfluïdische benadering van het screenen van vaste vorm opheldering van nieuwe vaste vormen mogelijk maakt. We hebben microfluïdische platforms gevalideerd op basis van vrije interface diffusie (Thorson et al., LOC, 2011) en gecontroleerde verdamping (Goyal et al., Loc, 2013) dat de hoeveelheid API die nodig is per vaste vorm screening conditie te verminderen met een orde van grootte (van 5 mg tot 5 µg voor elke voorwaarde), met vergelijkbare resultaten aan traditionele verdamping gebaseerde vaste vorm screening experimenten. De vermindering van steekproefhoeveelheid staat wetenschappers toe om vaste vormschermen eerder in het proces van de drugontdekking uit te voeren wanneer de minimale hoeveelheden API beschikbaar zijn, en staat voor uitgebreider scherm toe die de ontdekking van nieuwe vaste vormen toelaten. Wij ontwierpen de microfluidic platforms om optisch transparant te zijn die voor gemakkelijke identificatie van kristallijne vaste stoffen toestaan, en om minimaal signaal in Raman spectroscopie en röntgendiffractie te tonen die voor on-spaander identificatie van vaste vormen toestaan (Goyal et al. Crys. Groei & Des., 2012). Momenteel zijn we bezig met onderzoek naar het oplossen van kristalstructuren van onbekende cocrystalen door gebruik te maken van ons microfluidic platform om diffractiekwaliteit kristallen te kweken. Dit werk is in samenwerking met AbbVie.

(3) microfluïdische platforms voor celonderzoek

microfluïdische platforms bieden verschillende kenmerken die het bestuderen van cellulaire en intercellulaire processen beter vergemakkelijken in vergelijking met traditionele technieken op basis van petrischaal-of putplaten. De voorbeelden omvatten de capaciteit om enige cellen in hoogst gecontroleerde milieu ‘ s, superieure controle over het cellulaire micromilieu in ruimte en tijd, en geschikte integratie met verschillende types van microscopie te bestuderen. In onze groep ontwikkelen we microfluïdische platforms voor de volgende toepassingen:

3a. Antibioticagevoeligheidstesten:

effectieve behandeling van klinische infecties is sterk afhankelijk van het vermogen om snel patiëntstalen te screenen om de gevoeligheid van de infecterende pathogenen voor antibiotica te identificeren. Bestaande methoden voor antibiotische gevoeligheidstesten (AST) lijden aan verschillende problemen, waaronder lange doorlooptijden (dagen), overmatig monster-en reagensverbruik, slechte detectiegevoeligheid en beperkte combinatorische mogelijkheden. Deze factoren verhinderen de tijdige toediening van geschikte antibiotica, bemoeilijken de behandeling van infecties en verergeren de ontwikkeling van antibioticaresistentie.

om deze problemen aan te pakken, ontwikkelen we microfluïdische platforms voor AST die verschillende voordelen bieden in vergelijking met conventionele methoden, waaronder hogere detectiegevoeligheid, snelle resultaten (<6 uur), verminderd verbruik van reagentia en meer kwantitatieve resultaten. Bijvoorbeeld in samenwerking met Prof. Schroeder we hebben onze microfluïdische platforms gebruikt om de gevoeligheid van verschillende pathogene bacteriën, zoals E. coli, P. aeruginosa en K. pneumoniae, tegen verschillende antibiotica (Mohan et al. Biosens. & Bioelect., 2013). We hebben het platform ook gebruikt om de interactie tussen verschillende soorten bacteriën (polymicrobiële culturen) en het effect van deze interacties op de gevoeligheid voor antibiotica te bestuderen. Op dit moment passen we het microfluidic platform toe in combinatie met het gebruik van de resulterende experimentele gegevens voor farmacokinetische – farmacodynamische (PK/PD) modellering om betere informatie te bieden naar de beste manier om een bepaalde infectie te behandelen.

3b. bestuderen van cellen onder gecontroleerde zuurstofomstandigheden:

als tumoren groeien naar buiten weg van de lokale vasculaire architectuur vorming van variabele hypoxische (sub-fysiologische Weefsel oxygenatie) regio ‘ s komen door de vaste massa. Deze hypoxische gebieden zijn geassocieerd met therapeutische weerstand, metabolisch het herprogrammeren, en de epithelial-mesenchymal overgang. Vele vragen blijven betreffende de gevolgen van hypoxia op deze resultaten, nog slechts weinig methodes toelaten zowel nauwkeurige controle over zuurstofconcentratie als real-time weergave van celgedrag. De microfluidic platforms zijn bijzonder geschikt om zuurstofconcentratie te controleren terwijl het toelaten van real-time weergave toe te schrijven aan hun controle over tijdelijke en ruimtelijke chemische voorwaarden. Naast controle over het lokale micromilieu, verstrekt de verminderde lengteschaal in microfluidic platforms in vergelijking met conventionele methodes kortere equilibratietijden. Gebruikend de voordelen van microfluidic platforms, hebben wij een opgesteld apparaat ontwikkeld geschikt om zuurstofconcentratie van 0.5% tot 21% te controleren. In samenwerking met Professor Rex Gaskins (Departement Dierwetenschappen) gebruiken we deze platforms om real-time veranderingen van het organellaire redoxpotentieel in kankercellen onder hypoxie te bestuderen.

(4) Chemische synthese in microreactoren

Microreactoren bieden verschillende voordelen voor de studie en de feitelijke uitvoering van chemische synthese in vergelijking met traditionele “nat-lab” – benaderingen. Kleinere, nauwkeurig ontworpen platforms bieden bijvoorbeeld een verbeterde warmte-en massatransport, een lager verbruik van reagentia en zijn meer geschikt voor automatisering. In onze groep ontwikkelen we microreactoren voor de volgende toepassingen:

4a. synthese van radiofarmaceutica:

radiofarmaceutica zijn een klasse geneesmiddelen die worden gebruikt voor de diagnose en behandeling van verschillende ziekten en aandoeningen, waaronder bepaalde soorten kanker en hartziekten. De hoeveelheden precursoren voor de synthese van deze geneesmiddelen zijn doorgaans klein (een paar microliters) als gevolg van beperkte beschikbaarheid, hoge kosten en bovengrens aan de hoeveelheid radioactiviteit die veilig kan worden behandeld. Het onvermogen van de conventionele ‘wet-lab’-methoden om lage reagensvolumes efficiënt te manipuleren, leidt niet alleen tot synthese van geneesmiddelen van lage kwaliteit voor klinische toepassingen, maar belemmert ook de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen. We proberen deze problemen aan te pakken door microfluïdische technologieën te ontwikkelen, of betere microreactoren, voor de synthese van deze radiofarmaceutica. Door verschillende microfluïdische modules te integreren, stellen we ons voor dat deze verbindingen veel betrouwbaarder en met een hogere opbrengst kunnen worden gemaakt.

we hebben aangetoond dat de microfluïdische technologieën voor elke stap verschillende voordelen bieden ten opzichte van conventionele methoden, waaronder verbeterde reactierendementen, verminderd gebruik van reagentia en geschiktheid voor automatisering (Goyal et al., Sens. & Act. B, 2014; Hairong et al., LOC, 2014; Hairong et al., Bioconj. Scheikunde., 2014; Zeng et al. Nuc. Med. & Bio., 2013; Wheeler et al., LOC, 2010). Op dit moment optimaliseren we de microreactoren verder en ontwikkelen we een geïntegreerd systeem voor klinisch en onderzoeksgebruik. Dit project is in samenwerking met Prof. David Reichert ‘ s onderzoeksgroep in de afdeling radiologische chemie aan de Washington University, St. Louis.

4b. Microreactoren voor kwantumpuntsynthese:

de Fluorescente halfgeleider nanoparticles toont belofte in solid-state verlichting en vertoningstechnologie toe te schrijven aan beduidend hogere fotoluminescentie en beter spectraal gedrag dan conventionele fosfortechnologie. Deze nanoparticles hebben ook potentieel gebruik in medische weergave en kwantumverwerking. Hoge productiekosten deels toe te schrijven aan een gebrek aan betrouwbare methoden voor de productie van hoge kwaliteit, monodisperse nanodeeltjes momenteel sterk remmen hun wijdverspreide gebruik. Conventionele batch synthese methoden lijden vooral onder batch-to-batch variatie van nanomaterialen kwaliteit. Batchsyntheses, als gevolg van langzame hitte en massaoverdracht missen het vermogen om nauwkeurig te controleren op grootte, morfologie en samenstelling van nanodeeltjes. Continustroomreactoren bieden een mogelijke oplossing voor deze problemen. De inspanningen in Kenis group zijn gericht op de ontwikkeling van hoge doorvoer continue reactoren bieden snelle mengen en verwarmingstijden bij hoge temperaturen om hoogwaardige halfgeleider nanodeeltjes van verschillende samenstelling en morfologie te synthetiseren. We hebben bijvoorbeeld met succes nanorods gesynthetiseerd met behulp van een van onze continue-flowreactoren (zie figuur). We bestuderen zowel Cd-bevattende als Cd-vrije systemen, met een kwantumrendement tot 60%, wat vergelijkbaar is met commerciële producten.

(5) Manufacturing technologies for microfluidics

in onze onderzoeksgroep onderzoeken we verschillende manufacturing technologies om de ontwikkeling van microfluidic devices te bevorderen. De focus op dit gebied is om de integratie van microfluidics met eindtoepassingen te vergemakkelijken. Momenteel zijn we bezig met onderzoek in twee richtingen:

5a. microfluïdische componenten om de draagbaarheid en schaalbaarheid van apparaten te verbeteren:

dankzij de komst van Very large scale integration (VLSI) microfluidics konden toepassingen met meerdere stappen en hoge doorvoer met massaal parallelle bewerkingen op één enkele chip worden uitgevoerd. De sleutel tot deze vooruitgang was de ontwikkeling van pneumatische microvalves, die met zachte lithografische technieken worden vervaardigd. Ondanks de succesvolle integratie van dergelijke pneumatische microvalves in microfluidic-chips voor diverse toepassingen, vereisen deze microvalves omvangrijke toebehoren, die de schaalbaarheid en de draagbaarheid van deze microfluidic-chips beperken. We pakken deze kwesties op twee manieren aan:

gebruik van een Normal-close (NC) ventielarchitectuur ventielarchitectuur: apparaten die gebruik maken van conventionele Normal-open (NO) ventielen hebben beperkte draagbaarheid in toepassingen die continue gesloten toestand vereisen voor gebruik, omdat deze ventielen omvangrijke toebehoren (pompen, stikstofgascilinders, pneumatische randapparatuur) nodig hebben voor bediening. De kleppen van NC richten niet alleen de bovengenoemde beperking van beperkte draagbaarheid aan, maar behouden ook het gemak van vervaardiging en integratie in microfluidic apparaten. Om de integratie van NC-kleppen mogelijk te maken, gebruikten we een combinatie van analytische en computationele modellering en systematische experimenten om ontwerpregels te formuleren voor het ontwikkelen van optimale NC-kleppen met als doel het minimaliseren van de bedieningsdruk en het vergemakkelijken van de fabricage van deze kleppen (Mohan et al., Sens. & Act. B, 2011). De figuur toont de bedieningsdruk die nodig is als functie van de breedte van het vloeistofkanaal voor verschillende microvalvevormen (recht, v-vormig en diagonaal). Wij hebben deze kleppen gebruikt voor een verscheidenheid van toepassingen, zoals eiwit–antilichaaminteracties virusdetectie, eiwitkristallisatie, vast vormonderzoek, en het onderzoeken van andere toepassingen (Schudel et al., LOC, 2011; Thorson et al., CrystEngComm, 2012; Guha et al., Sens, & Act. B, 2012; Mohan et al. Biosens. & Bioelect., 2013; Tice et al., JMEMS, 2013).

gebruik van elektrostatische microventielen ter vervanging of aanvulling van pneumatische microventielen: Onze microventielen op basis van elektrostatische aandrijving behouden de kleine voetafdruk (1), Voor membraandiktes ™ van 5 µm. De ruimte van de ontwerpparameter wordt geschat op de aanwezigheid van lucht (donkerder), olie (uitgebroed) of water (lichter) in het vloeistofkanaal. Een andere interessante toepassing die we onderzoeken is het gebruik van elektrostatische microventielen om pneumatische microventielen te controleren. Deze combinatie van pneumatische en elektrostatische microventielen zal de ancillaries aanzienlijk vereenvoudigen en helpen bij het realiseren van het doel van ‘lab-in-a-chip’ in plaats van de ‘chip-in-a-lab’.

5b. Nieuwe materialen en fabricageprocessen:

Poly (dimethylsiloxaan) of PDMS is het geprefereerde materiaal voor vervaardiging van microfluidics-apparaten, hoofdzakelijk omdat het gebruik van PDMS voor eenvoudige, snelle, en goedkope vervaardiging van apparaten met verschillende graden van complexiteit toestaat. PDM ‘ s hebben echter verschillende beperkingen, waaronder de incompatibiliteit met een breed scala aan organische oplosmiddelen en analysetechnieken. In onze onderzoeksgroep onderzoeken we een verscheidenheid aan polymere materialen als alternatief voor PDMS om microfluidics te produceren; sommige van deze materialen zijn thioleen, cyclisch-olefine copolymeer en teflon. We gebruikten deze materialen om microfluïdische apparaten te ontwikkelen die compatibel zijn met een reeks organische oplosmiddelen en analytische technieken, zoals X-ray en Raman. We laten ook zien dat hybride apparaten, die de voordelen van verschillende materialen combineren, superieure alternatieven zijn voor apparaten die uit één of twee materialen bestaan.

(6) opkomende microfluidic ‘ bio ‘ projecten

6a. Microfluidic platforms voor time-resolved FTIR spectroscopie:

ons algemene doel is het ontwikkelen van een innovatieve microfluïdische technologie voor time-resolved Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopie van biomoleculaire reacties of interacties. Het eiwit vouwen, enzymkatalyse, en eiwit-ligand interactie zijn essentieel aan het handhaven van gezonde cellen en weefsels. De wortel van vele chronische of genetische ziekten kan terug naar de storing van dergelijke reacties in proteã nen – b.v., plaque vorming door misfolded BÃ ta-amyloid peptide in de ziekte van Alzheimer worden getraceerd.

de onderzoeken om reactiemechanismen op moleculair en intermoleculair niveau te onthullen zijn essentieel voor het ontwikkelen van nieuwe therapeutica van rationeel drugontwerp evenals aan hun het testen-B. V., kunnen de BÃ ta-amyloid vouwende wegen doelstellingen onthullen waarop kandidaatdrugs tegen plaqueformatie kunnen worden getest en geoptimaliseerd. De spectroscopie van fouriertransformeert infrarode (FTIR) verstrekt verscheidene voordelen in vergelijking met andere spectroscopietechnieken, met inbegrip van niet-vereiste van extrinsieke etikettering, eenvoudige steekproefvoorbereiding, en gemakkelijke aanwinst van een waaier van informatie (moleculaire details met hoge resolutie aan eiwit-eiwitinteractie met lage resolutie).

echter, verscheidene beperkingen met de huidige FTIR-stroomcellen, waaronder lage tijdresolutie, kosten en de behoefte aan grote monstervolumes, hebben het wijdverspreide gebruik van FTIR verhinderd. We pakken deze problemen aan door microfluïdische FITR-stroomcellen te ontwikkelen uit goedkope, ir-transparante materialen. Voorlopige resultaten met ubiquitin hebben onze aanpak gevalideerd en we optimaliseren de stroomcel voor het uitvoeren van experimenten met klinisch relevante eiwitten. Dit project is in samenwerking met Prof.Rohit Bhargava in de afdeling Bioengineering.

6b. microfluïdische technologieën ter verbetering van het transplantatieproces van eilandjes:

Diabetes is een verwoestende ziekte die 25,8 miljoen Amerikanen treft (8% van de bevolking). Transplantatie bij de mens is een veelbelovende therapie voor Type I diabetes mellitus (TIDM). Deze procedure is echter niet erg reproduceerbaar en consistent. Om de resultaten van islettransplantatie te verbeteren, moeten verschillende klinische, biologische en technische kwesties worden aangepakt. In onze onderzoeksgroep ontwikkelen we microfluïdische technologieën om een aantal van deze problemen aan te pakken, waaronder het behoud van optimale omstandigheden tijdens het isoleren van eilandjes van donor pancreas, automatisering van het isolatieproces en het scheidingsproces van het eilandje, en het behoud van de levensvatbaarheid en functionaliteit van het eilandje tijdens het transplantatieproces. Dit project is in samenwerking met Prof.Jose Oberholzer ‘ s onderzoeksgroep in de afdeling transplantatiechirurgie aan de Universiteit van Illinois in Chicago.

6c. Microfluidic platform for freeze-quench EPR studies:

de meeste van de interessante verschijnselen in vele biochemische reacties komen voor tijdens de eerste paar milliseconden van de reacties, b. v., ATP synthese bemiddeld door het cytochroom BC1 complex. Structurele en functionele studies van deze tussenproducten in een vroeg stadium zullen niet alleen het mechanisme van deze reacties ophelderen, maar zullen ook een rationeel ontwerp van geneesmiddelen mogelijk maken voor de behandeling van ziekten en aandoeningen die verband houden met het slecht functioneren van deze reacties. Freeze-quench elektron paramagnetic resonance (EPR) is een krachtige techniek om deze reacties te bestuderen, waar de tussenproducten van deze reacties snel worden bevroren om verdere reacties te voorkomen en later worden geanalyseerd gebruikend EPR. De beperkingen van het huidige apparaat voor vriesblusser EPR, voornamelijk het langzame mengen van reagentia, hebben echter de toepassing van deze techniek voor het bestuderen van ultrasnelle biochemische reacties verhinderd. In onze onderzoeksgroep ontwikkelen we een microfluïdisch apparaat voor het snel mengen van reagentia (~20 µs) en vervolgens het uitwerpen van de gemengde reagentia in de vorm van een ultradunne straal op een bevroren koperen wielopstelling. We hebben deze benadering gevalideerd met een model biochemische reactie en onderzoeken de toepassing van klinisch relevante biochemische reacties. Dit project is in samenwerking met Prof.Tony Crofts van de afdeling Biochemie.

6d. bepalen van geneesmiddel-doelinteracties:

alle biologie, en bij uitbreiding alle farmacologie, hangt af van de interactie van eiwitten met andere moleculen. Elektron paramagnetische resonantie (EPR) gecombineerd met Spin-etikettering (SLEPR) kan worden gebruikt om dergelijke interacties in real time, in vitro of in vivo te detecteren, en om de verhouding van gebonden aan ongebonden proteã nen, met minimale verstoring van de biologie te volgen. Dit maakt tot het een ideaal hulpmiddel om de gevolgen van farmaceutische agenten op hun biologische doel en op verwante biochemische systemen direct te bestuderen, die de nauwkeurigheid van de voorspellingen van de vroege stadiumontwikkeling van doeltreffendheid en giftigheid van drugkandidaten verbeteren. Echter, de huidige wet-lab methoden voor de voorbereiding van de kleine monsters vereist door EPR spectrometers hebben de neiging om verspilling, onnauwkeurig, en langzaam (nemen 24 uur of meer). In onze groep ontwikkelen wij apparaten voor snelle en nauwkeurige etikettering van proteã nen, die volledig van de combinatorial aard van microfluidic spaanders nemen om een reeks steekproeven bij veelvoudige concentraties of met een verscheidenheid van partners tot stand te brengen, en die op-spaandercelcultuur wanneer nodig opnemen. Dit project is in samenwerking met New Liberty Proteomics.