Trovare modi per migliorare il processo di sviluppo dei farmaci, che attualmente è costoso, richiede tempo e ha un tasso di insuccesso astronomico - potrebbe avere benefici di vasta portata per l'assistenza sanitaria e l'economia. I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno progettato un array di interfaccia cellulare utilizzando un'elettronica a basso costo che misura più proprietà e risposte cellulari in tempo reale. Ciò potrebbe consentire a molti più potenziali farmaci di essere testati in modo completo per l'efficacia e gli effetti tossici molto più rapidamente. Ecco perché Hua Wang, professore associato presso la School of Electrical and Computer Engineering presso Georgia Tech, lo descrive come "aiutarci a trovare l'ago d'oro nel pagliaio".

Le aziende farmaceutiche utilizzano saggi cellulari, una combinazione di cellule viventi ed elettronica dei sensori, per misurare i cambiamenti fisiologici nelle cellule. Questi dati vengono utilizzati per lo screening ad alto rendimento (HTS) durante la scoperta di farmaci. In questa prima fase di sviluppo dei farmaci, l'obiettivo è identificare percorsi target e composti chimici promettenti che potrebbero essere sviluppati ulteriormente – ed eliminare quelli che sono inefficaci o tossici – misurando le risposte fisiologiche delle cellule a ciascun composto.

Test fenotipici di migliaia di composti candidati, con la maggioranza "fallendo presto, " consente solo a quelli più promettenti di essere ulteriormente sviluppati in farmaci e forse eventualmente di essere sottoposti a sperimentazioni cliniche, dove il fallimento del farmaco è molto più costoso. Ma la maggior parte dei test cellulari esistenti utilizza sensori elettronici che possono misurare solo una proprietà fisiologica alla volta e non possono ottenere risposte cellulari olistiche.

È qui che entra in gioco la nuova piattaforma di rilevamento cellulare. "L'innovazione della nostra tecnologia è che siamo in grado di sfruttare il progresso delle tecnologie nanoelettroniche per creare piattaforme di interfaccia cellulare con pixel massicciamente paralleli, ", ha detto Wang. "E all'interno di ogni pixel possiamo rilevare più parametri fisiologici dallo stesso gruppo di cellule contemporaneamente." Il chip sperimentale quad-modalità presenta la registrazione del potenziale extracellulare o intracellulare, rilevamento ottico, misurazione dell'impedenza cellulare, e stimolazione della corrente bifasica.

Wang ha affermato che la nuova tecnologia offre quattro vantaggi rispetto alle piattaforme esistenti:

• Rilevamento multimodale:la capacità del chip di registrare più parametri sullo stesso campione cellulare offre ai ricercatori la possibilità di monitorare in modo completo risposte cellulari complesse, scoprire le correlazioni tra questi parametri e indagare su come possono rispondere insieme quando esposti ai farmaci. "Le cellule viventi sono sistemi piccoli ma molto complessi. La somministrazione di farmaci spesso provoca molteplici cambiamenti fisiologici, ma questo non può essere rilevato utilizzando il rilevamento monomodale convenzionale, " ha detto Wang.
• Ampio campo visivo:la piattaforma consente ai ricercatori di esaminare il comportamento delle cellule in un grande aggregato per vedere come rispondono collettivamente a livello tissutale.
• Piccola risoluzione spaziale:i ricercatori non solo possono osservare le cellule a livello dei tessuti, potrebbero anche esaminarli a risoluzione unicellulare o addirittura subcellulare.
• Piattaforma a basso costo:la nuova piattaforma array è basata su tecnologie CMOS (Complementary Metal oxide semiconductor) standard, che viene anche utilizzato per costruire chip per computer, e può essere facilmente scalato per la produzione di massa.

Il team di Wang ha lavorato a stretto contatto con Hee Cheol Cho, professore associato e borsista Urowsky-Sahr in Bioingegneria pediatrica, il cui laboratorio di rigenerazione cardiaca fa parte del dipartimento di ingegneria biomedica di Wallace Coulter presso la Georgia Tech e la Emory University. Hanno usato miociti ventricolari di ratto neonatale e fibroblasti cardiaci per illustrare la capacità di profilazione cellulare multiparametrica dell'array per lo screening dei farmaci. I recenti risultati sono stati pubblicati sulla rivista della Royal Society of Chemistry Laboratorio su un chip il 31 agosto, 2018.

Il monitoraggio delle risposte cellulari in domini multifisici e il profilo cellulare olistico multiparametrico dovrebbero anche rivelarsi utili nello screening dei composti chimici che potrebbero avere effetti dannosi su determinati organi, disse Jong Seok Park, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Wang e uno dei principali autori dello studio. Molti farmaci sono stati ritirati dal mercato dopo aver scoperto che avevano effetti tossici sul cuore o sul fegato, Per esempio. Questa piattaforma dovrebbe consentire ai ricercatori di testare in modo completo la tossicità degli organi e altri effetti collaterali nelle fasi iniziali della scoperta di farmaci.

Il chip sperimentale può essere utile per altre applicazioni, compresa la medicina personalizzata, ad esempio testare le cellule tumorali di un particolare paziente. "La variazione da paziente a paziente è enorme, anche con lo stesso tipo di farmaco, " ha affermato Wang. L'array dell'interfaccia cellulare potrebbe essere utilizzato per vedere quale combinazione di farmaci esistenti darebbe la risposta migliore e per trovare la dose ottimale più efficace con la minima tossicità per le cellule sane.

Il chip è in grado di essere attivato oltre che di rilevamento. Nel futuro, Wang ha affermato che i dati cellulari dal chip potrebbero essere caricati ed elaborati, e in base a ciò, i comandi per una nuova attivazione o acquisizione dati possono essere inviati al chip in modo automatico e wireless. Immagina stanze e stanze contenenti camere di coltura con milioni di tali chip in strutture completamente automatizzate, "semplicemente facendo automaticamente una nuova selezione di farmaci per noi, " Egli ha detto.

Al di là di queste applicazioni, Wang ha notato il valore scientifico della ricerca stessa. I circuiti integrati e la nanoelettronica sono alcune delle piattaforme tecnologiche più sofisticate create dall'uomo. Cellule viventi, d'altra parte, sono prodotti complessi prodotti attraverso miliardi di anni di selezione naturale ed evoluzione.

"Il tema centrale della nostra ricerca è come possiamo sfruttare la migliore piattaforma creata dalla natura con la migliore piattaforma creata dall'uomo, " ha detto. "Possiamo lasciarli lavorare insieme per creare sistemi ibridi che raggiungano capacità oltre la sola biologia o sistemi solo elettronici? La domanda scientifica fondamentale che stiamo affrontando è come possiamo consentire all'elettronica inorganica di interfacciarsi meglio con le cellule viventi organiche".