麻省理工学院生物工程师创建的促进生物医学研究的新工具

“ [我]实验室今天广为人知的主要研究方向和技术平台来自这个过程，在这个过程中，学生或我有了一个疯狂的主意，然后实验室在其上执行了所有曲折的工作， ”生物工程学副教授保罗·布莱尼（Paul Blainey）说。

微流体技术（通过通道处理少量流体的科学技术）已广泛用于基因组学等领域，在该领域它有助于实现高速测序。几年前，保罗·布莱尼（Paul Blainey）开始想知道为什么微流体技术没有用于药物筛选，这是另一个需要快速分析大量样品的应用。

这个问题促使他和他的学生开发了一种新型的微流控平台，该平台将液滴密封在微小的孔中，从而克服了阻碍以前工作的药物泄漏问题。该系统可以很好地用于筛选药物，但最终也可用于许多其他应用，远远超出了布莱尼最初的设想。

“这是我热爱科学的一件事–您可以思考为什么微流体技术不能对化学做更多的贡献，然后您开发出的东西竟然具有人们从未想过的所有这些令人兴奋的用途和应用，”布莱尼说，他是麻省理工学院和哈佛大学广泛研究所的成员，也是生物工程系的新任终身教授。

Blainey的实验室采用广泛的方法来解决技术问题，从而在过去几年中开发了许多尖端工具，其应用范围从基因组学到诊断学和药物开发。他赞扬他的学生能够帮助他们提出新颖技术的想法，并寻求替代的方向，直到他们找到可行的方法。

他说：“实验室今天闻名的主要研究方向和技术平台就是在这个过程中，学生或我有了一个疯狂的主意，然后实验室就执行了，并一路走来都是曲折的。”说。

吸引工程

Blainey在西雅图长大，是电话公司技术员和护理教授的儿子，他对工程学有着天生的爱好。他回忆说：“我一直都是那个正在建立模型的孩子。”但是，他在华盛顿大学开始了他在科学领域的化学和数学专业的学术生涯。他继续在哈佛大学获得物理化学博士学位，但是在攻读学位期间，他被与工程最紧密相关的科学领域所吸引。

他说：“我真的很喜欢分析化学，它非常像一门工程学科，因为它侧重于仪器，测量和化学的定量方面。”

在完成博士学位后，他去了斯坦福大学，在生物工程学教授斯蒂芬·奎克（Stephen Quake）的实验室中担任博士后。在那里，他与2007年在学术实验室中安装的第一批高速下一代基因组测序仪之一合作。

布莱尼说：“结果是，我学习了测序技术和基因组学，学到了一些细菌遗传学，学到了微流控技术，并且我真的开始意识到这些东西如何一起发挥作用。”

在斯坦福大学，他对环境微生物进行了单细胞基因组测序，但他想将研究重点转向生物医学和研究人类细胞，因此他申请了Broad研究所的教职。在来接受采访之前，他认为自己宁愿住在西海岸，但是对麻省理工学院的访问却改变了主意。

他说：“尽管曾在哈佛大学读研究生，但我​​对布罗德大学的了解很少，对麻省理工学院的了解也很少。”“我去了波士顿，这超出了我的期望。博德研究所和周围机构的科学与协作潜力非常明显地跳了出来。”

Blainey成为Broad Institute的成员时，他还加入了MIT的生物工程系，重新表达了他对工程学的长期兴趣。他创立了自己的实验室，其目标是发展可能对生物医学研究产生重大影响并得到广泛传播的生物技术。

他说：“我们对确定开发技术的机会很感兴趣，这些技术将填补生命科学研究组合中的关键空白。”“我们有机会与人们交谈，了解需求，了解生物研究在技术上得到了很好的服务，并试图发现可能与我们的工具包或我们可以发明的新事物重叠的空白。”

填补空白

布莱尼认为需要新技术的领域之一是筛选潜在的药物化合物。筛选药物的最大挑战之一是确保每种化合物都有足够的化合物来针对大量的单个细胞进行测试。研究人员之所以没有使用微流控技术来帮助进行这些筛选，是因为药物分子往往会从微流控设备中使用的微小液滴中泄漏出来。

布莱尼大学的一名研究生托尼·库列萨（Tony Kulesa）提出了解决该问题的新方法的想法，该方法是将纳升液滴密封在微流控芯片上的一系列微小孔中。这样可以防止药物泄漏，并可以进行大规模筛查。

事实证明，这项技术对于筛查个体药物以及药物组合非常有用。在2018年发表的一篇论文中，研究人员表明该系统可用于识别有助于现有抗生素更好地发挥作用的化合物。博德研究所目前正在启动一个由国家过敏和传染病研究所资助的新中心，该平台将用于搜索具有抗菌活性的其他化合物。

后来发现，该系统可用于涉及测试细胞或分子的许多不同组合的相互作用的各种实验。

在一个项目中，布莱尼与麻省理工学院物理学副教授杰夫·戈尔（Jeff Gore）合作，将液滴中不同的细菌菌株合并在一起，并研究它们之间如何相互作用。他还用它创造了一种新的基于CRISPR的诊断技术，称为Sherlock，该技术先前是由Broad Institute的其他几个实验室开发的。液滴阵列平台允许一次对多个样本进行测试，并同时测试许多不同的疾病。

布莱尼最近开发的另一种技术，称为光学池筛选，使研究人员能够以空间和时间分辨率检查基因如何影响复杂的细胞过程。该技术于2019年10月17日在Cell中进行了描述，将大规模的混合遗传筛选与基于图像的细胞行为分析相结合。

Blainey的实验室继续寻找可以从技术创新中受益的新领域，同时也为他们已经开发的工具寻求潜在的应用。

“我们的天线对这些一般类型的技术障碍很敏感，在这些方面，如果您能提出可靠而通用的解决方案，那么它确实会释放出很多东西。但是我们也很高兴使用我们已经开发的工具进一步深入生物学。”他说。“这有点像基层政治-您真的必须走到那里，砸碎人行道，并展示如何以不同的方式使用它。”

参考

David Feldman，Avtar Singh，Jonathan L.Schmid-Burgk，Rebecca J.Carlson，Anja Mezger，Anthony J.Garrity，Feng Zhang和Paul C.Blainey的“人细胞中的光学合并屏幕”，2019年10月17日，Cell.DOI ：
10.1016 / j.cell.2019.09.016

Jared Kehe，Anthony Kulesa，Anthony Ortiz，Cheri M.Ackerman，Sri Gowtham Thakku，Daniel Sellers，Seppe Kuehn，Jeff Gore，Jonathan Friedman和Paul C.Blainey的论文“大规模并行筛选合成微生物群落”，会议记录，2019年6月11日，会议记录美国国家科学院
10.1073 / pnas.1900102116

Anthony Kulesa，Jared Kehe，Juan E.Hurtado，Prianca Tawde和Paul C.Blainey撰写的“纳升液滴中的组合药物发现”，美国国家科学院院刊，2018年6月13日。
10.1073 / pnas.1802233115