Il video di laboratorio racconta la storia:piccolo, i vermi parassiti che nuotano liberamente in una soluzione nutritiva sono attivi e mobili; espongono lo stesso tipo di vermi a una miscela di quattro farmaci ottimizzati da una tecnica ingegneristica e sono parzialmente paralizzati, lottando sul posto.

L'esperimento dimostra che una tecnologia ingegneristica sviluppata e brevettata da Chih-Ming Ho dell'Università della California, Los Angeles - si chiama tecnica di ottimizzazione del controllo del sistema di feedback - può identificare rapidamente potenti combinazioni di farmaci che sono efficaci su un organismo modello di piccoli animali.

La scoperta è riportata online oggi, 4 ottobre nel diario Progressi scientifici . Gli autori principali del documento sono Santosh Pandey, professore associato di ingegneria elettrica e informatica presso la Iowa State University; e Xianting Ding, un professore presso la Scuola di Ingegneria Biomedica presso la Shanghai Jiao Tong University in Cina. I coautori sono Zach Njus, un ex studente laureato dell'Iowa State; Taejoon Kong, un attuale studente laureato dell'Iowa State; Wenqiong Su dell'università di Shanghai; e Ho, un distinto professore di ricerca di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'UCLA.

La ricerca è stata parzialmente supportata da sovvenzioni a Pandey dalla National Science Foundation e dalla Defense Threat Reduction Agency. Anche le sovvenzioni cinesi hanno parzialmente sostenuto il progetto. Jo Anne Powell-Coffman, professore e cattedra di genetica, sviluppo e biologia cellulare allo Iowa State, fornito approfondimenti sul lavoro con i nematodi. La tecnica di Ho è stata brevettata nel 2012 come apparato e metodi associati per la manipolazione e l'ottimizzazione dei sistemi biologici.

L'esperimento potrebbe portare a ulteriori lavori che producono trattamenti efficaci per i nematodi parassiti, o nematodi, che contribuiscono alla malattia nelle persone e nel bestiame, ha detto Pandy. I pochi farmaci disponibili per trattare i nematodi stanno perdendo la loro efficacia poiché i parassiti sviluppano una resistenza multifarmaco.

In questo studio, esemplari di Caenorhabditis elegans nematodi sono stati posti in camere di prova microfluidica ed esposti a diverse combinazioni di quattro farmaci che paralizzano i nematodi - levamisolo, pirantello, metiridina e tribùndimidina.

L'esperimento basato sul lavoro precedente del gruppo di ricerca di Pandey per testare gli effetti dei singoli farmaci sulla C. elegans nematode. Per misurare gli effetti dei farmaci, il laboratorio ha sviluppato un software di tracciamento video che quantifica il movimento di un verme in termini di velocità e curvatura. Il video di questo studio ha catturato e monitorato i movimenti dei vermi a un fotogramma al secondo per 10 minuti.

"Volevamo quantificare gli eventi di paralisi nei vermi usando un semplice, insieme identificabile di parametri, " Disse Pandey. "Un verme con la curvatura più alta e la velocità più bassa sta davvero lottando ed è paralizzato."

Pandey ha affermato che l'obiettivo dello studio era trovare una miscela che riducesse le concentrazioni di farmaco aumentando al contempo la tossicità. Ciò potrebbe ridurre i costi di trattamento dei parassiti e combattere lo sviluppo della resistenza ai farmaci.

L'esperimento ha funzionato così, secondo la carta:

Il gruppo di Pandey ha identificato sei livelli di concentrazione per ciascuno dei quattro farmaci. Il sistema di ottimizzazione di Ho ha preso quei livelli e ha suggerito otto diverse miscele dei quattro farmaci a varie concentrazioni. Il gruppo di Pandey ha esposto i worm a ciascuno degli otto e ha inviato i risultati al sistema. Il sistema ha mantenuto le quattro combinazioni più efficaci e ne ha suggerite altre quattro.

In questo esperimento, un "cocktail vincente" è stato identificato dopo che il processo è stato ripetuto quattro volte per 32 test totali, secondo la carta.

Anche se il sistema informatico richiede solo un feedback sui risultati sperimentali - nessuna informazione sulla farmacologia dei farmaci, è necessaria la biologia animale o altre caratteristiche - Il gruppo di Pandey ha scoperto che era uno strumento efficace per trovare rapidamente una combinazione di farmaci che fosse efficace contro i nematodi.

Il test convalida l'uso del sistema di feedback per i test antidroga sui nematodi come intero organismo, secondo la carta. Ho ha precedentemente dimostrato che il sistema di feedback può essere utilizzato negli studi sulle cellule, compreso lo sviluppo di farmaci antitumorali e sistemi di coltura per mantenere le cellule staminali.

La riuscita dimostrazione da parte dei ricercatori di un'efficace combinazione di farmaci per i nematodi potrebbe aiutare a trovare soluzioni a due importanti problemi associati alle infezioni da nematodi, ha detto Pandy.

"Uno è la resistenza a più farmaci, " ha detto. "Questi parassiti stanno diventando più resistenti ai farmaci che stiamo usando. Due sono le enormi spese per lo sviluppo di nuovi farmaci:possono volerci più di dieci anni ed è molto costoso".

Pandey ha detto che l'esperimento suggerisce che varrebbe la pena di studiare ulteriormente.

"Un'alternativa più intelligente alla scoperta di farmaci sarebbe trovare combinazioni ottimizzate di farmaci esistenti che siano più efficaci e già approvati dalla Food and Drug Administration, " ha detto. "Una sfida entusiasmante sarebbe quella di testare se questa tecnica funziona su altri organismi modello e parassiti".