Kobieta renesansu w epoce nano

Jako absolwent Wydziału Nauk o Zdrowiu i Technologii Harvard-MIT, Sangeeta Bhatia znalazł sposób na utrzymanie komórek wątroby przy życiu poza ciałem, podtrzymując ich funkcję przez wiele tygodni. Pracując z mikrofabrykowanymi powierzchniami podobnymi do tych stosowanych w chipach komputerowych, ułożyła drobne komórki we wzory pasków i kropek. Dodając składniki odżywcze i inne typy komórek, doszła do architektury, która sprawiła, że ​​zbiory komórek funkcjonują jak maleńka wątroba, metabolizując leki i wytwarzając białka. Jej przełomowy model i jego następcy pozwoliły Bhatii, obecnie profesorowi bioinżynierii na MIT, zbadać toksyczność leków i metabolizm, a także szereg chorób wpływających na wątrobę.

Nie poprzestała na powiedzeniu: „Mogę hodować komórki w naczyniu i działają one lepiej” – mówi Tejal Desai, profesor i kierownik wydziału bioinżynierii i nauk terapeutycznych na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco. Zamiast tego przesunęła nasze zrozumienie z podstaw naukowych do zastosowań klinicznych. Zauważa, że ​​firmy farmaceutyczne na całym świecie używają urządzenia opartego na mikrowątrobach Bhatii, aby przetestować toksyczność potencjalnych leków i zbadać, w jaki sposób są one metabolizowane.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2016 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Laboratorium Bhatii pracuje również nad projektami mającymi na celu wykorzystanie ukierunkowanych nanocząstek do diagnozowania i leczenia raka. Nawet w dziedzinie znanej z pracy interdyscyplinarnej ma niezwykły talent do integrowania pomysłów z różnych dziedzin, w tym technologii czujników, biologii chemicznej, nanotechnologii i inżynierii, mówi Desai.

Bhatia urodziła się w Bostonie w rodzinie imigrantów. Jej matka, jak mówi, była jedną z pierwszych kobiet MBA w Indiach. Jej ojciec był inżynierem. Tradycyjnie w swoich poglądach rodzice Bhatii uważali, że trzy dopuszczalne zawody dla ich córki to inżynier, lekarz i przedsiębiorca. Teraz śmieją się z tego, że, jak to ujęła, stałam się całą trójką. (W rzeczywistości same tytuły Bhatii na MIT przekraczają granice wizytówki: jest ona dyrektorem Laboratorium Wieloskalowych Technologii Regeneracyjnych, profesorem nauk o zdrowiu i technologii oraz inżynierii elektrycznej i informatyki Johna J. i Dorothy Wilson oraz członek Instytutu Inżynierii Medycznej i Nauki oraz Instytutu Kocha ds. Integracyjnych Badań nad Rakiem, nie mówiąc już o jej powiązaniach z Broad Institute, Howard Hughes Medical Institute, Ludwig Center for Molecular Oncology, Harvard Stem Cell Institute oraz Szpital Brighama i Kobiet.)

Od góry od lewej do prawej: 1. Komórki wątroby (czerwone) otoczone trójwymiarową siecią komórek naczyń krwionośnych (zielone) modelują organizację tkanek ludzkich w mikroskali. 2. Papierowe paski testowe, które działają jak test ciążowy, ujawniają obecność białek związanych z rakiem u myszy. 3. Te komórki, które grupa Bhatia wygenerowała z przeprogramowanych komórek skóry, są krokiem na drodze do stworzenia funkcjonalnych komórek wątroby człowieka. 4. Bhatia i Jeff Hasty z UCSD zmodyfikowali te bakterie, aby uwolniły wybuch białka fluorescencyjnego. Ich celem jest nakłonienie bakterii do uwalniania leków w guzie. 5. Jeśli kulki hydrożelowe można uwięzić w macierzach w komorze mikroprzepływowej, mogłyby one otoczyć komórki wątroby do wykorzystania w badaniach leków. 6. W 2011 roku laboratorium Bhatii ogłosiło opracowanie mikrowątroby, którą można wszczepić zwierzętom.

Od góry od lewej do prawej: 1. Komórki wątroby (czerwone) otoczone trójwymiarową siecią komórek naczyń krwionośnych (zielone) modelują organizację tkanek ludzkich w mikroskali. 2. Papierowe paski testowe, które działają jak test ciążowy, ujawniają obecność białek związanych z rakiem u myszy. 3. Te komórki, które grupa Bhatia wygenerowała z przeprogramowanych komórek skóry, są krokiem na drodze do stworzenia funkcjonalnych komórek wątroby człowieka. 4. Bhatia i Jeff Hasty z UCSD zmodyfikowali te bakterie, aby uwolniły wybuch białka fluorescencyjnego. Ich celem jest nakłonienie bakterii do uwalniania leków w guzie. 5. Jeśli kulki hydrożelowe można uwięzić w macierzach w komorze mikroprzepływowej, mogłyby one otoczyć komórki wątroby do wykorzystania w badaniach leków. 6. W 2011 roku laboratorium Bhatii ogłosiło opracowanie mikrowątroby, którą można wszczepić zwierzętom.

Od góry od lewej do prawej: 1. Komórki wątroby (czerwone) otoczone trójwymiarową siecią komórek naczyń krwionośnych (zielone) modelują organizację tkanek ludzkich w mikroskali. 2. Papierowe paski testowe, które działają jak test ciążowy, ujawniają obecność białek związanych z rakiem u myszy. 3. Te komórki, które grupa Bhatia wygenerowała z przeprogramowanych komórek skóry, są krokiem na drodze do stworzenia funkcjonalnych komórek wątroby człowieka. 4. Bhatia i Jeff Hasty z UCSD zmodyfikowali te bakterie, aby uwolniły wybuch białka fluorescencyjnego. Ich celem jest nakłonienie bakterii do uwalniania leków w guzie. 5. Jeśli kulki hydrożelowe można uwięzić w macierzach w komorze mikroprzepływowej, mogłyby one otoczyć komórki wątroby do wykorzystania w badaniach leków. 6. W 2011 roku laboratorium Bhatii ogłosiło opracowanie mikrowątroby, którą można wszczepić zwierzętom.

Od najmłodszych lat Bhatia był naturalnym majsterkowiczem. Kiedyś rozebrała zepsutą rodzinną automatyczną sekretarkę, uznała, że ​​kilka części wydaje się nie na miejscu, i złożyła ją z powrotem, przywracając jej funkcję. W liceum skłaniała się ku biologii, a jej ojciec zachęcał ją do myślenia o inżynierii biomedycznej, która była wówczas rodzącą się dziedziną. Podczas studiów, na Brown University, Bhatia badał pracę nad regeneracją nerwów, podekscytowany skupieniem się na projektach mających na celu promowanie zdrowia.

W 1991 roku, po krótkim pobycie w firmie farmaceutycznej, Bhatia zapisał się na program inżynierii mechanicznej w MIT. Wspomina, że ​​wróciła biegiem do szkoły średniej, ponieważ jej praca w farmacji wydawała się zbyt odległa od ludzkiego interfejsu. W końcu dołączyła do laboratorium Mehmeta Tonera, SM ’85, PhD ’89, młodego inżyniera biomedycznego z oddziału chirurgii Mass. General Hospital, którego entuzjazm właśnie mnie powalił, mówi. Celem Tonera było stworzenie urządzenia analogicznego do urządzenia do dializy dla pacjentów z ostrą niewydolnością wątroby: komórki wątroby w urządzeniu przetwarzałyby krew pacjenta przed zwróceniem jej do organizmu. Wyzwaniem Bhatii było znalezienie sposobu na utrzymanie komórek w mechanicznym wkładzie.

Okazało się to trudne. Pracując z komórkami zwierzęcymi, Bhatia próbował odtworzyć architekturę wątroby, układając je na wzór powierzchni przyciągających i odpychających wodę. Jednak po dwóch latach nieudanych wysiłków zdała sobie sprawę, że znalazła się w ślepym zaułku. Po prostu się nie wydarzyło, mówi. Na sugestię koleżanki z klasy w końcu połączyła siły z zakładem mikrofabrykacji MIT, który do tej pory koncentrował się prawie wyłącznie na wytwarzaniu chipów komputerowych. Projekt Bhatii, obejmujący chip do badania komórkowego, był jednym z pierwszych tego rodzaju w MIT.

Staram się być całkiem otwarta na temat życia, posiadania dzieci i satysfakcjonującej kariery, więc mam nadzieję, że kobiety będą chciały to wybrać.

W tym czasie Bhatia został zapisany do Wydziału Nauk o Zdrowiu i Technologii Harvard-MIT. (Przeniosła się, odrzucona z programu za pierwszym razem, wspomina z krzywym uśmiechem.) W ramach programu HST uczęszczała na lekcje do szkoły medycznej i zakochała się w ludzkim ciele. Postanowiła ukończyć doktorat, ale nie mogła się oprzeć rzuceniu kapelusza na ring w poszukiwaniu możliwości badawczych; a na trzecim roku studiów medycznych dostała propozycję z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, aby dołączyć do wydziału. Co ciekawe, Bhatia ukończyła czwarty rok szkoły medycznej w San Diego, podejmując obowiązki młodszego profesora. Pracowałam w szpitalu w dzień, rotacyjnie, aw nocy urządzałam laboratorium, mówi. I chociaż czas kadencji tykał przez rok, zanim mogła w pełni poświęcić się badaniom, w 2002 roku została mianowana profesorem nadzwyczajnym na UCSD.

Jednak kilka lat później była gotowa wrócić na Wschodnie Wybrzeże. Ona i jej mąż, Jagesh Shah, SM '95, PhD '99, którego poznała pierwszego dnia w HST i który przeprowadził się z nią do Kalifornii, mieli córkę w 2003 roku. Mieszka bliżej dalszej rodziny w Bostonie i Toronto stało się priorytetem: to była duża część życia, którego zawsze pragnęłam, mówi. Więc ona i Shah przeprowadzili wspólne poszukiwania, ubiegając się o stanowiska razem lub w sąsiednich instytucjach. Po otrzymaniu bliźniaczych ofert z MIT i Harvardu w 2005 roku przenieśli się do Bostonu.

Bhatia w wieku czterech lat gra na kalkulatorze w biurze swojej matki.

Tymczasem prace Bhatii nad mikrowątrobami posunęły się naprzód. Zaczęła używać komórek ludzkich, a nie zwierzęcych, iw szeregu kluczowych eksperymentów wykazała, że ​​jej system może oznaczać związki farmaceutyczne, które mogą stanowić zagrożenie dla ludzi. Na przykład lek o nazwie fialurydyna, który był badany w latach 90. jako lek na wirusowe zapalenie wątroby typu B, przeszedł testy na zwierzętach bez wzbudzania obaw dotyczących bezpieczeństwa. Ale w badaniach klinicznych spowodował niewydolność wątroby i śmierć u pięciu badanych. Bhatia wykazała, że ​​jej system zidentyfikowałby fialurydynę jako niebezpieczną. W 2008 roku współtworzyła firmę o nazwie Hepregen, która produkowała urządzenie z chipem wątrobowym i dystrybuowała je do firm farmaceutycznych. Obecnie ponad 40 firm na całym świecie stosuje metodę Bhatia do testowania bezpieczeństwa leków w komórkach wątroby przed przeprowadzeniem badań klinicznych. „Możemy złapać narkotyki, które inaczej nie zostałyby złapane tak wcześnie”, mówi. Bhatia i jej współpracownicy wykorzystali również jej modele do badania chorób wątroby, takich jak zapalenie wątroby typu C, zapalenie wątroby typu B i malaria.

W słoneczne październikowe popołudnie, w jednym z sześciu rozległych pomieszczeń swojego laboratorium, Bhatia wskazuje na małe kosze, w których ona i jej zespół przechowują komary malaryczne, zakażone krwią, którą Nil Gural, doktorant HST w laboratorium, zebrał od pacjentów w Tajlandii. Aby przeprowadzić badania, Gural i inni odcinają komarom głowy i usuwają ich gruczoły ślinowe wypełnione pasożytami. Następnie dodają te pasożyty do hodowli komórek wątroby. Ich celem jest monitorowanie postępu infekcji, a w szczególności badanie tego, co dzieje się, gdy pasożyt przechodzi w stan spoczynku, co zwykle ma miejsce po około trzech tygodniach. W ten sposób malaria ukrywa się w wątrobie, wyjaśnia Bhatia, i jest to prawdopodobnie największa przeszkoda w wykorzenieniu choroby, gdy już zadomowiła się w organizmie. Uśpiona forma pasożyta była również wyzwaniem dla naukowców, ponieważ komórki wątroby są tak trudne do utrzymania przy życiu poza ciałem. Jednak od 2009 roku grupa Bhatii wykorzystuje jej system modelowy, w którym komórki wątroby mogą przetrwać nawet miesiąc, do badania procesu nieaktywności pasożyta. Bhatia ma nadzieję, że prace te rzucą światło na to, jak dokładnie uśpiony patogen zostaje ponownie aktywowany u pacjentów. Ma również nadzieję, że pomoże to naukowcom w testowaniu leków mających na celu całkowite unicestwienie pasożyta.

W innym miejscu laboratorium szereg urządzeń potwierdza zakres programu badawczego Bhatii. Jest drukarka 3D do prototypowania, stanowisko anestezjologiczne dla małych zwierząt i robot magnetyczny, który służy do lewitacji magnetycznych nanocząstek. To Maggie, mówi, czule poklepując długie ramię robota. Oprócz pracy nad wątrobą, grupa Bhatia, która znajduje się w Instytucie Koch ds. Integracyjnych Badań nad Rakiem, bada sposoby kierowania nanomateriałów do guzów w celu obrazowania, diagnozowania i ostatecznie leczenia raka. Ta możliwość była przedmiotem zainteresowania Bhatii od początku jej kariery. W 2000 roku rozpoczęła współpracę z badaczem raka Erkki Ruoslahti z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, który opracował peptydy wiążące się z markerami wytwarzanymi przez naczynia krwionośne guza. Te peptydy mogą być przyczepiane do powierzchni różnych materiałów, aby zadomowić się na nowotworach. Bhatia i Ruoslahti współpracowali również ściśle z materiałoznawcą Michaelem Sailorem z UCSD. W jednym projekcie grupa skupiła się na kierowaniu środków kontrastowych na guzy w celu ulepszenia technologii obrazowania. Dzięki ich technologii materiały takie jak nanocząsteczki tlenku żelaza, które są wykorzystywane w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego, trafiałyby bezpośrednio do raka, umożliwiając chirurgowi dokładniejsze sprawdzenie, czy, powiedzmy, węzeł chłonny został zaatakowany przez chorobę.

Bhatia wygłasza prelekcję na temat diagnostyki raka na TEDMED w 2015 roku.

Przez lata Bhatia, Sailor i Ruoslahti kontynuowali owocną współpracę. Byliśmy zespołem trójstronnym, mówi Sailor, dodając, że on i Bhatia natychmiast się dogadali i przeprowadzili burzę mózgów na temat tuzina możliwych projektów, kiedy po raz pierwszy spotkali się pod koniec lat dziewięćdziesiątych. W nowszych pracach zespół skoncentrował się na kierowaniu nanomateriałów do guzów z przerzutami. Wprowadzili peptydy, które byłyby cięte przez enzymy guza, a także wytwarzałyby fluorescencję. I chociaż pierwotnym zamiarem było podkreślenie guza do skanów MRI, wkrótce zauważyli, że pęcherz każdego zwierzęcia z rakiem świecił fluorescencją, mówi Bhatia. Jak się okazało, sposób, w jaki materiały wchodziły w interakcję z enzymami, tworzył mały biomarker fluorescencyjny, który wnikał do nerek i był uwalniany z moczem. Mieliśmy wielki moment „Aha”, w którym zdaliśmy sobie sprawę, że wcale nie potrzebujemy urządzenia do rezonansu magnetycznego, mówi Bhatia. Zamiast tego mogli po prostu przetestować mocz pod kątem charakterystycznych biomarkerów raka. W ramach dodatkowej pracy zespół bawił się kilkoma sposobami wykrywania tych markerów w moczu. Na przykład stworzyli test papierowy, podobny do tego, jaki stosuje się w przypadku ciąży, który może oznaczać obecność guzów. Niedawno Bhatia założyła firmę o nazwie Glympse Bio, której celem jest komercjalizacja technologii. Ostatecznym celem byłoby opracowanie narzędzi do wykrywania raka we wczesnym stadium. Chociaż opisuje takie narzędzia jako marzenie i ostrzega, że ​​są daleko, ma nadzieję, że pewnego dnia mogą obejmować testy narządowe, analogiczne do mammografii w przypadku raka piersi lub kolonoskopii w przypadku raka okrężnicy, które wykryją raka przed obecnymi testy byłyby w stanie.

Większość projektów Bhatii dotyczących medycznych zastosowań nanomateriałów obejmowała wstrzykiwanie materiałów zwierzętom. Ale w zeszłym roku jej laboratorium i współpracownicy z UCSD znaleźli również nowy sposób dostarczania tych materiałów do wykrywania raka: w bakteriach, które mogą być spożywane w jogurcie . Kiedy te zmodyfikowane bakterie dostały się do ciał zwierząt, tym razem przez przewód pokarmowy, ponownie skupiły się na guzach i stworzyły biomarkery, które można było wykryć w moczu. To podejście prawdopodobnie zadziała najlepiej w przypadku guzów przewodu pokarmowego, w tym okrężnicy, ponieważ jest tam, mówi Bhatia. Może również działać dobrze w wykrywaniu guzów wątroby, ponieważ składniki odżywcze i metabolity docierają do tego narządu stosunkowo bezpośrednio. W innym projekcie Bhatia wykorzystuje zmodyfikowane bakterie do leczenia raka, zamiast po prostu go diagnozować. Tam celem jest, aby bakterie skupiły się na guzach i dostarczyły molekuły, które całkowicie je zabiją. Nazywamy to naszym programowalnym projektem probiotycznym, mówi.

47-letni Bhatia zdobył imponującą listę wyróżnień i nagród, w tym nagrodę Lemelson-MIT, stypendium Packarda i nagrodę Heinza. Jest również członkiem Amerykańskiej Akademii Sztuk i Nauk oraz Narodowej Akademii Inżynierii. Jednak nawet gdy jej kariera rośnie, jest świadoma wyzwań stojących przed naukowcami i poświęca dużo czasu na wspieranie innych. Kiedy zaczynałem w Brown [w połowie lat 80.], moja najlepsza przyjaciółka i ja rozglądaliśmy się po naszej pierwszej klasie inżynierii i widzieliśmy 50% mężczyzn i 50% kobiet i myśleliśmy: „O co tyle zamieszania?”, mówi. Uznali, że to tylko kwestia czasu, zanim kobiety będą dobrze reprezentowane. Jednak zanim ukończyła szkołę, tylko 16 procent inżynierów w jej klasie stanowiły kobiety.

Bhatia bada w swoim laboratorium w 2013 roku pleśń z mikrofabrykatów wykorzystywaną do wytwarzania mikrowątrobowych komórek malarii.

To zużycie jest tym, co naukowcy społeczni nazywają nieszczelnym rurociągiem. A dla Bhatii zainteresowanie dziewcząt nauką — i bycie aktywnym wzorem do naśladowania, aby zachęcić je do trzymania się jej — od dawna jest pasją. Przez kilka lat znalazła czas na zorganizowanie (z Shahem) targu naukowego w szkole podstawowej ich córek. Jako studentka pomogła uruchomić program o nazwie Klucze do wzmocnienia młodzieży , który co roku sprowadza dziewczęta ze szkół średnich do MIT, aby uczestniczyć w pracach laboratoryjnych. To doświadczenie może wcześnie zwiększyć ich pewność siebie, być może zwiększając szanse, że zdecydują się studiować naukę i nadając im odporność na wytrwanie w karierze naukowej. Stara się także zaistnieć publicznie, zwłaszcza wśród młodych kobiet. Moją naturalną tendencją jest chęć przebywania w laboratorium i wykonywania swojej pracy, ale czuję, że nie możesz być wzorem do naśladowania, jeśli ludzie cię nie widzą – mówi. W wystąpieniach prasowych wydaje się być ugruntowana i możliwa do odniesienia, a także naukowo poważna. A 2009 Nowy profil , na przykład pokazał jej dwie córki, które przeprowadzają z nią eksperymenty naukowe w kuchni, wybierają się na zakupy po zabawki (ale nie Barbie) i wskakują rano do łóżka z nią i jej mężem – rzadki wgląd w życie osobiste starszego naukowca. Mówi o cotygodniowych randkach z Shahem. A przyjaciółka z college'u, Theresia Gouw (obecnie venture capitalist) potwierdza, że ​​Bhatia utrzymuje bliskie kontakty ze swoimi przyjaciółmi; coroczny weekend dziewcząt zwykle obejmuje zakupy i spa. Staram się być całkiem otwarty na temat posiadania życia, posiadania dzieci i satysfakcjonującej kariery, więc mam nadzieję, że kobiety będą chciały to wybrać, mówi Bhatia.

W swoim laboratorium również pielęgnuje wspierające koleżeństwo intelektualne. Jest dobra w tworzeniu środowiska, w którym ludzie naprawdę chcą sobie nawzajem pomagać i współpracować, mówi doktorant Gural. Bhatia jest również doradcą Stowarzyszenia Kobiet Inżynierów MIT i adwokatem kobiet-naukowców zarówno w MIT, jak i poza nim. Uważam, że obowiązkiem jest podnoszenie świadomości, mówi, powołując się na nieświadome uprzedzenia wobec kobiet-naukowców w zakresie zatrudniania, awansowania i wypowiadania się jako problem, którego niektórzy naukowcy mogą nadal nie być świadomi. W skali kraju tylko około jedna czwarta doktoratów inżynierskich jest zdobywana przez kobiety, około 15 procent wydziałów inżynierskich zatrudnionych na stałe lub na stałe to kobiety, a tylko niewielka część start-upów technologicznych ma kobiety założycielki. Ludzie wciąż mówią, że to kwestia czasu i jest coraz lepiej, mówi. Ale jestem dość zniecierpliwiony nachyleniem linii.

ukryć