I farmaci da prescrizione hanno permesso a milioni di americani con condizioni mediche croniche di vivere una vita più lunga e appagante, ma molti nuovi farmaci promettenti non arrivano mai alla fase di sperimentazione umana a causa del potenziale di tossicità cardiaca.

Attraverso la tecnologia "heart-on-a-chip" - modellando un cuore umano su un chip ingegnerizzato e misurando gli effetti dell'esposizione al composto sulle funzioni del tessuto cardiaco utilizzando microelettrodi - i ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) sperano di ridurre il tempo necessario per nuovi studi sui farmaci e garantire che i farmaci potenzialmente salvavita siano sicuri ed efficaci, riducendo al contempo la necessità di test sull'uomo e sugli animali. La ricerca fa parte del progetto iCHIP (in-vitro Chip-Based Human Investigational Platform) del Lab, che replica i sistemi umani su piattaforme ingegnerizzate per testare gli effetti di composti chimici e biologici tossici.

La ricerca, pubblicato online il 18 aprile sulla rivista Laboratorio su un chip , descrive la corretta registrazione sia dei segnali elettrici che del battito cellulare da normali cellule cardiache umane cresciute su una matrice multi-elettrodo sviluppata presso il laboratorio. È il primo disegno, secondo i ricercatori, in grado di mappare simultaneamente sia l'elettrofisiologia che la frequenza di contrazione delle cellule.

"Questa piattaforma consente di eseguire uno screening ad alto rendimento di farmaci e prevederne gli effetti sul cuore, " ha affermato la ricercatrice principale di iCHIP Elizabeth Wheeler. "Questa ricerca ci consente di misurare due funzioni del cuore, contrazione ed elettrofisiologia, per la prima volta. Ci sono ancora conferme e dati di cui abbiamo bisogno, ma alla fine ci consentirebbe di ridurre la necessità di test sugli animali".

I ricercatori hanno affermato che la capacità di registrare queste due funzioni sarebbe utile per le aziende farmaceutiche perché potrebbe avvisare i produttori di farmaci di problemi cardiaci causati da un farmaco nelle prime fasi del processo prima di raggiungere la fase di sperimentazione clinica. La cardiotossicità è un effetto collaterale frequente di molti nuovi farmaci e spesso contribuisce al loro fallimento finale. Altri farmaci frequentemente prescritti, come agenti chemioterapici, sono anche noti per essere cardiotossici. La ricerca che utilizza il chip del cuore potrebbe fornire informazioni sperimentali su come funzionano i farmaci in modo che nuovi composti possano essere progettati per evitare queste insidie.

"I problemi cardiaci possono essere causati per molte ragioni diverse, " ha detto il ricercatore LLNL Fang Qian, l'autore principale del documento. "Potrebbe essere dovuto a una conduzione anomala del segnale elettrico in tutto il cuore (come l'aritmia), o forza di contrazione indebolita dei muscoli cardiaci (come la cardiomiopatia), o entrambi. Una piattaforma che legge solo una singola funzione non può dirci esattamente cosa c'è che non va."

Il "cuore su un chip, " che si basa su precedenti ricerche iCHIP di successo sul sistema nervoso periferico e centrale, prevede l'uso di cellule cardiache umane coltivate fino a nove giorni sul chip ingegnerizzato. Sorprendentemente, queste cellule crescono naturalmente e spontaneamente in un tessuto cardiaco bidimensionale che si contrae o inizia a "battere" dopo due giorni di coltura. Il tessuto è stato esposto alla noradrenalina, un farmaco stimolante usato per trattare la pressione bassa e l'insufficienza cardiaca, e sia il segnale elettrico che il battito aumentavano nelle cellule, simile a quello che accadrebbe nel corpo.

La variazione della "frequenza cardiaca" è stata misurata utilizzando gli elettrodi altamente sensibili nell'array di microelettrodi. I ricercatori hanno concluso che la piattaforma potrebbe misurare in modo accurato e non invasivo la crescita del tessuto cardiaco, elettrofisiologia e battito cardiaco contemporaneamente e in tempo reale.

"Il vero punto di forza della piattaforma è poter misurare contemporaneamente sia gli aspetti elettrici che quelli meccanici del cuore, " ha detto il ricercatore LLNL Kris Kulp. "Una delle sostanze chimiche che abbiamo usato per convalidare la piattaforma in realtà disaccoppia il segnale elettrico dal battito cellulare. Quando le cellule sono state esposte a questo composto, i segnali elettrici continuavano normalmente, ma le cellule hanno smesso di contrarsi. Per sviluppare con successo nuovi farmaci, abbiamo bisogno di conoscere l'intero spettro di effetti che possono avere sulla funzione cellulare".

La parte più impegnativa della crescita delle cellule, secondo il ricercatore post-dottorato LLNL Chao Huang, stava esaminando diverse densità di semina cellulare per trovarne una che sarebbe rimasta in vita abbastanza a lungo, e potrebbe contrarsi in modo misurabile e rispondere in modo simile a quanto ci si aspetterebbe negli esseri umani. La ricercatrice LLNL Anna Ivanovskaya, che ha lavorato alla modellazione e all'ingegneria dei circuiti, ha detto che anche la scelta della giusta geometria per il chip è stata difficile perché il layout influenza il segnale elettrico. Ivanovskaya ha detto che lei e il team hanno testato quattro diverse modifiche della serie di elettrodi prima di stabilirsi su quella giusta.

Gli scienziati LLNL credono con la convalida, una piattaforma affidabile "heart-on-a-chip" potrebbe essere utilizzata per superare alcuni dei limiti dei nuovi test antidroga, e fornire una valutazione completa del funzionamento del cuore nelle contromisure mediche e nello sviluppo di farmaci. mettono in guardia, però, che sono necessari ulteriori test.

"Con un rendimento elevato, screening ad alto contenuto è possibile testare molti farmaci contemporaneamente e ottenere molti dati contemporaneamente, " Ha detto Qian. "È sbalorditivo quanti soldi e tempo sono necessari per portare la droga sul mercato. Questo potrebbe accelerare il processo".