Water scheppen

De nieuwe microfluïdische chip vervaardigd door Fluidigm, een startup gevestigd in South San Francisco, vertegenwoordigt een decennium van opeenvolgende uitvindingen. Dit kleine vierkant van sponsachtig polymeer - hetzelfde type dat wordt gebruikt in contactlenzen en raamafdichting - bevat een complex netwerk van microscopisch kleine kanalen, pompen en kleppen. Minieme hoeveelheden vloeistof uit bijvoorbeeld een bloedmonster kunnen door het doolhof van kanalen stromen die door de kleppen worden gescheiden en in bijna 10.000 kleine kamers worden gepompt. In elke kamer kan nanoliter (miljardste van een liter) van de vloeistof worden geanalyseerd.

Lab op een chip : Fluidigm's microfluïdische chip (het grijze vierkant in het midden) gebruikt kleine kanalen en kleppen om vloeistoffen te manipuleren. Het maakt snelle en gevoelige bioassays mogelijk

Het vermogen om vloeistoffen op microscopische schaal rond een chip te verplaatsen, is een van de meest indrukwekkende prestaties van de biochemie van de afgelopen 10 jaar. Microfluïdische chips, die nu worden geproduceerd door een handvol startende bedrijven en een vergelijkbaar aantal universitaire gieterijen, stellen biologen en chemici in staat om kleine hoeveelheden vloeistof op een nauwkeurige en sterk geautomatiseerde manier te manipuleren. De potentiële toepassingen zijn talrijk, waaronder draagbare apparaten om verschillende ziekten op te sporen en machines die snel de inhoud van een groot aantal individuele cellen kunnen analyseren (elk met ongeveer één picoliter vloeistof) om bijvoorbeeld zeldzame en dodelijke kankermutaties te identificeren. Maar microfluïdica betekent ook een fundamentele doorbraak in hoe onderzoekers kunnen interageren met de biologische wereld. Het leven is water dat door leidingen stroomt, zegt George Whitesides, een chemicus aan de Harvard University die veel van de technologie heeft uitgevonden die wordt gebruikt in microfluïdica. Als we geïnteresseerd zijn in het leven, moeten we geïnteresseerd zijn in vloeistoffen op kleine schaal.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2010

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Om het belang van de technologie en de complexiteit van de microscopische apparatuur uit te leggen, maken degenen die betrokken zijn bij microfluïdica vaak vergelijkingen met microprocessors en geïntegreerde schakelingen. Inderdaad, een microfluïdische chip en een elektronische microprocessor hebben vergelijkbare architecturen, met kleppen die transistors vervangen en kanalen die draden vervangen. Maar het manipuleren van vloeistoffen door kanalen is veel moeilijker dan elektronen rond een geïntegreerd circuit te leiden. Vloeistoffen zijn, nou ja, rommelig. Ze kunnen moeilijk te verplaatsen zijn, ze bestaan ​​vaak uit een complexe stoofpot van ingrediënten, en ze kunnen kleven en lekken.

In de afgelopen tien jaar hebben onderzoekers veel van dergelijke uitdagingen overwonnen. Maar als microfluïdica ooit echt vergelijkbaar wil worden met micro-elektronica, zal het een veel grotere uitdaging moeten overwinnen: de overgang van een veelbelovend laboratoriuminstrument naar veelgebruikte commerciële technologie. Kan het worden omgezet in producten die wetenschappers, medische technici en artsen willen gebruiken? Biologen zijn steeds meer geïnteresseerd in het gebruik van microfluïdische systemen, zegt Whitesides. Maar, voegt hij eraan toe, ga je naar het lab en vind je deze apparaten overal? Het antwoord is nee. Wat interessant is, is dat het niet echt van de grond is gekomen. De vraag is, waarom niet?

Dingen beoordeeld

• Biomark 96.96 dynamische array

  Fluidigma

  
  
  

• De aard van technologie: wat het is en hoe het evolueert

  Door W. Brian Arthur
  Vrije pers, 2009

Een soortgelijke vraag zou net zo goed kunnen worden gesteld over ten minste twee andere belangrijke technologieën die de afgelopen tien jaar zijn ontstaan: genomische geneeskunde en nanotechnologie. Elk begon deze eeuw met belangrijke doorbraken en veel tamtam. De sequentiebepaling van het menselijk genoom werd begin 2001 voor het eerst aangekondigd; het National Nanotechnology Initiative, dat heeft bijgedragen aan de lancering van een groot deel van het huidige nanotech-onderzoek, kreeg zijn eerste federale financiering in 2000. Hoewel alle drie de technologieën een paar nieuwe producten hebben opgeleverd, heeft geen enkele de transformerende effecten gehad die veel experts hadden verwacht. Waarom duurt het zo lang voordat een technologie die zo duidelijk belangrijk en waardevol is als deze impact heeft? Hoe creëer je populaire producten uit radicaal nieuwe technologieën? En hoe trek je potentiële gebruikers aan?

Geduld, geduld
Ondanks het economische, sociale en wetenschappelijke belang van technologie, wordt het proces van het creëren ervan slecht begrepen. Vooral de vraag hoe technologieën zich in de loop van de tijd ontwikkelen, hebben onderzoekers grotendeels over het hoofd gezien. Dat is het uitgangspunt van W. Brian Arthurs The Nature of Technology, een poging om een ​​alomvattende theorie te ontwikkelen over wat technologie is en hoe deze evolueert. Arthur ging aan de slag in de bibliotheekstapels van Stanford University. Toen ik begon te lezen, was ik verbaasd dat over sommige van de belangrijkste vragen niet erg diep was nagedacht, herinnerde hij zich in een recent interview. Hoewel er veel is geschreven over de sociologie van technologie en engineering, en er is genoeg over de geschiedenis van verschillende technologieën, zei hij, waren er grote hiaten in de literatuur. Hoe evolueert technologie eigenlijk? Hoe definieer je technologie?

koppeling

Een patentkaart gemaakt door IPVision, gevestigd in Cambridge, MA, toont veel van de belangrijkste uitvindingen van Stephen Quake en Fluidigm in het afgelopen decennium die de microfluïdische chips van het bedrijf mogelijk maken. De tijdlijn toont verschillende belangrijke initiële vorderingen en hoe de huidige microfluïdica zowel de vooruitgang in microfabricage als biochemie gebruiken. Zo'n complex netwerk van uitvindingen is niet ongebruikelijk bij de ontwikkeling van nieuwe technologie.
Krediet: IPVision

Arthur hoopt voor technologie te doen wat Thomas Kuhn beroemd deed voor de wetenschap in zijn 1962 The Structure of Scientific Revolutions, waarin werd beschreven hoe wetenschappelijke doorbraken tot stand komen en hoe ze worden overgenomen. Een belangrijk onderdeel van Arthurs argument is dat technologie haar eigen kenmerken en aard heeft, en dat ze te lang is behandeld als ondergeschikt aan de wetenschap of gewoon als toegepaste wetenschap. Wetenschap en technologie zijn volledig met elkaar verweven, maar verschillend, zegt hij: Wetenschap gaat over het begrijpen van fenomenen, terwijl technologie echt gaat over het benutten en gebruiken van fenomenen. Ze bouwen uit elkaar voort.

Arthur, voormalig professor economie en bevolkingsstudies aan Stanford, nu extern professor aan het Santa Fe Institute en gastonderzoeker aan het Palo Alto Research Center, is misschien het best bekend om zijn werk over complexiteitstheorie en om zijn analyse van toenemende rendementen, wat hielp verklaren hoe een bedrijf de markt voor een nieuwe technologie gaat domineren. Of hij zijn doel, het formuleren van een rigoureuze technologietheorie, haalt, valt te betwijfelen. Het boek biedt echter een gedetailleerde beschrijving van de kenmerken van technologieën, doorspekt met interessante historische weetjes. En het biedt een context om inzicht te krijgen in de vaak moeizame en langdurige processen waarmee technologieën commercieel worden geëxploiteerd.

Bijzonder waardevol zijn Arthur's inzichten in hoe verschillende domeinen van technologie anders evolueren in vergelijking met individuele technologieën. Domeinen, zoals Arthur ze definieert, zijn groepen technologieën die bij elkaar passen omdat ze gebruik maken van een gemeenschappelijk fenomeen. Elektronica is een domein; zijn apparaten - condensatoren, inductoren, transistors - werken allemaal met elektronen en passen dus van nature bij elkaar. Evenzo manipuleren in fotonica, lasers, glasvezelkabels en optische schakelaars allemaal licht. Terwijl een individuele technologie, bijvoorbeeld de straalmotor, is ontworpen voor een bepaald doel, is een domein een gereedschapskist met nuttige componenten - een constellatie van technologieën - die in veel industrieën kan worden toegepast. Er wordt een technologie uitgevonden, schrijft Arthur. Een domein ontstaat stukje bij beetje uit zijn afzonderlijke delen.

Het onderscheid is van cruciaal belang, stelt hij, omdat gebruikers snel een individuele technologie kunnen adopteren om bestaande apparaten te vervangen, terwijl potentiële gebruikers nieuwe domeinen tegenkomen die moeten proberen ze te begrijpen, erachter te komen hoe ze te gebruiken, bepalen of ze de moeite waard zijn, en applicaties voor hen maken. Ondertussen moeten degenen die de nieuwe domeinen ontwikkelen de tools in de toolbox verbeteren en de ontbrekende stukjes uitvinden die nodig zijn voor nieuwe toepassingen. Dit alles duurt normaal gesproken tientallen jaren, zegt Arthur. Het is een heel, heel langzaam proces.

Wat Arthur kort aanstipt, is dat deze evolutie van een nieuwe technologie vaak gepaard gaat met een nog bekendere ontwikkeling: enthousiasme over een nieuwe technologie, desillusie van investeerders en gebruikers omdat de technologie de hyperbool niet waarmaakt, en een langzame reëmerging naarmate de technologie volwassen wordt en begint te voldoen aan de behoeften van de markt.

Een oplossing op zoek naar problemen
Aan het eind van de jaren negentig werd microfluïdica (of, zoals het soms wordt genoemd, lab-on-a-chip-technologie) een nieuwe overhyped vooruitgang in een voor hen berucht tijdperk. Voorstanders spraken over het potentieel van de chips. Maar de apparaten konden niet de complexe vloeistofmanipulaties uitvoeren die voor veel toepassingen nodig zijn. Ze werden aangeprezen als een vervanging voor alles. Dat pakte duidelijk niet zo goed uit, zegt Michael Hunkapiller, een durfkapitalist bij Alloy Ventures in Palo Alto, CA, die nu investeert in verschillende microfluidica-startups, waaronder Fluidigm. Volgens hem waren de mogelijkheden van de technologie in de jaren negentig veel minder universeel dan de hype.

Het probleem, zoals Arthur het zou kunnen zeggen, was dat de gereedschapskist belangrijke onderdelen miste. Prominent onder de benodigde componenten waren kleppen, waarmee de vloeistofstroom op specifieke plekken op de chip kan worden in- en uitgeschakeld. Zonder ventielen heb je alleen maar een slang; met kleppen kun je pompen bouwen en manieren bedenken om sanitair te bouwen. Het probleem werd opgelost in het laboratorium van Stephen Quake, toen hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Caltech en nu op de afdeling bio-engineering van Stanford. Quake en zijn Caltech-collega's hebben een eenvoudige manier gevonden om kleppen te maken in microfluïdische kanalen op een polymeerplaat. Binnen twee jaar na het publiceren van een paper over de kleppen, had de groep geleerd hoe ze een microfluïdische chip konden maken met duizenden kleppen en honderden reactiekamers. Het was de eerste chip die het waard was om vergeleken te worden met een geïntegreerde schakeling. De technologie werd in licentie gegeven aan Fluidigm, dat Quake in 1999 mee oprichtte.

Ondertussen vonden andere academische laboratoria andere steeds complexere manieren uit om vloeistoffen in microfluïdische apparaten te manipuleren. Het resultaat is een nieuwe generatie bedrijven die zijn uitgerust met veel meer capabele technologieën. Toch blijven veel potentiële gebruikers sceptisch. Opnieuw bevindt microfluïdica zich in een bekende fase van technologieontwikkeling. Zoals David Weitz, een natuurkundeprofessor aan Harvard en medeoprichter van verschillende microfluïdische bedrijven, uitlegt: Het is een geweldige oplossing die nog steeds op zoek is naar de beste problemen.

Er zijn tal van mogelijkheden. Biomedische onderzoekers zijn begonnen microfluïdica te gebruiken om te kijken hoe individuele cellen genen tot expressie brengen. In één experiment gebruiken kankeronderzoekers een van Fluidigm's chips om prostaattumorcellen te analyseren, op zoek naar patronen die hen zouden helpen de medicijnen te selecteren die de tumor het meest effectief zullen bestrijden. Ook heeft Fluidigm onlangs een chip geïntroduceerd die is ontworpen om stamcellen te laten groeien in een nauwkeurig gecontroleerde micro-omgeving. Wanneer stamcellen momenteel in het laboratorium worden gekweekt, kan het moeilijk zijn om de chemische omstandigheden in een levend dier na te bootsen. Maar kleine groepen stamcellen kunnen worden opgedeeld in secties van een microfluïdische chip en baden in combinaties van biochemicaliën, waardoor wetenschappers hun groeiomstandigheden kunnen optimaliseren.

En microfluïdica zou goedkope en draagbare diagnostische apparaten mogelijk kunnen maken voor gebruik in dokterspraktijken of zelfs afgelegen klinieken. In theorie zou een monster van bijvoorbeeld bloed op een microfluïdische chip kunnen worden gedruppeld, die de noodzakelijke bioassay zou uitvoeren: een virus identificeren, kankereiwitten detecteren of biochemische tekenen van een hartaanval vinden. Maar zowel in medische diagnostiek als in biomedisch onderzoek moet microfluïdica nog op grote schaal worden toegepast.

Nogmaals, de analyse van Arthur biedt een verklaring. Gebruikers die de nieuwe tools tegenkomen, moeten bepalen of ze de moeite waard zijn. Bij veel diagnostische toepassingen moeten biologen beter begrijpen welke biochemicaliën ze moeten detecteren om tests te kunnen ontwikkelen. Ondertussen moeten degenen die microfluïdische apparaten ontwikkelen de apparaten gebruiksvriendelijker maken. Zoals Arthur ons in herinnering brengt, moeten wetenschap en technologie op elkaar voortbouwen en moeten technologen de ontbrekende stukjes uitvinden die gebruikers willen; het is een langzame, nauwgezette evolutie.

Het is vaak moeilijk te voorspellen wat die ontbrekende stukjes zullen zijn. Hunkapiller herinnert zich de commercialiseringsgeschiedenis van de geautomatiseerde DNA-sequencer, een machine die hij en zijn collega's bij Caltech uitvonden en die in 1986 op de markt werden gebracht bij Applied Biosystems. (De machine heeft geholpen om het Human Genome Project mogelijk te maken.) Soms is het iets vreemds dat een technologie van de grond laat komen, zegt hij. Geautomatiseerde sequencing werd pas populair rond 1991 of 1992, zegt hij, toen het bedrijf een monstervoorbereidingskit introduceerde. Hoewel het geen bijzonder indrukwekkende technische vooruitgang was - zeker niet op het niveau van de geautomatiseerde sequencer zelf - had de kit een enorme impact omdat het het gebruik van de machines gemakkelijker maakte en tot betrouwbaardere resultaten leidde. Plotseling, herinnert hij zich, schoot de verkoop omhoog: het was geen big deal om $ 100.000 meer voor een machine te betalen.

In een recent interview demonstreerde Whitesides een microfluïdische chip gemaakt van papier waarin vloeistoffen door kanalen worden afgevoerd naar kleine kamers waar testreacties worden uitgevoerd. Toen haalde hij een nieuwe smartphone uit de doos, nog in de plastic verpakking. Wat als, dacht hij, je op de een of andere manier de camera van de telefoon zou kunnen gebruiken om de gegevens van de microchip vast te leggen en zijn rekenkracht te gebruiken om de resultaten te verwerken, in plaats van te vertrouwen op omvangrijke toegewijde lezers? Een simpele uitlezing op de telefoon kan de gebruiker de informatie geven die hij of zij nodig heeft. Maar voordat dat gebeurt, erkende hij, zullen er verschillende andere vorderingen nodig zijn. Inderdaad, alsof hij herinnerd werd aan de moeilijke taak die voor hem lag, liet Whitesides de smartphone snel terug in de doos glijden.

David Rotman is redacteur van Technologie beoordeling .

zich verstoppen