I ricercatori hanno sviluppato una "membrana su chip" di cellule umane che consente il monitoraggio continuo di come i farmaci e gli agenti infettivi interagiscono con le nostre cellule, e potrebbe presto essere utilizzato per testare potenziali farmaci candidati per COVID-19.

I ricercatori, dell'Università di Cambridge, Cornell University e Stanford University, dicono che il loro dispositivo potrebbe imitare qualsiasi tipo di cellula:batterica, umane o anche le dure pareti cellulari delle piante. La loro ricerca ha recentemente ruotato su come il COVID-19 attacca le membrane cellulari umane e, ma ancora più importante, come può essere bloccato.

I dispositivi sono stati formati su chip preservando l'orientamento e la funzionalità della membrana cellulare e sono stati utilizzati con successo per monitorare l'attività dei canali ionici, una classe di proteine ​​nelle cellule umane che sono l'obiettivo di oltre il 60% dei farmaci approvati. I risultati sono pubblicati in due recenti articoli in Langmuir e ACS Nano .

Le membrane cellulari svolgono un ruolo centrale nella segnalazione biologica, controllando tutto, dal sollievo dal dolore all'infezione da un virus, fungendo da custode tra una cellula e il mondo esterno. Il team ha deciso di creare un sensore che preserva tutti gli aspetti critici di una membrana cellulare:struttura, fluidità, e controllo sul movimento degli ioni, senza i passaggi che richiedono tempo per mantenere in vita una cellula.

Il dispositivo utilizza un chip elettronico per misurare eventuali cambiamenti in una membrana sovrastante estratta da una cellula, consentendo agli scienziati di comprendere in modo semplice e sicuro come la cellula interagisce con il mondo esterno.

Il dispositivo integra membrane cellulari con elettrodi polimerici conduttori e transistor. Per generare le membrane on-chip, il team di Cornell ha prima ottimizzato un processo per produrre membrane da cellule vive e poi, lavorando con il team di Cambridge, li ha persuasi su elettrodi polimerici in modo da preservare tutta la loro funzionalità. I polimeri conduttori idratati forniscono un ambiente più "naturale" per le membrane cellulari e consentono un monitoraggio robusto della funzione della membrana.

Il team di Stanford ha ottimizzato gli elettrodi polimerici per monitorare i cambiamenti nelle membrane. Il dispositivo non si basa più su cellule vive che spesso sono tecnicamente difficili da mantenere in vita e richiedono un'attenzione significativa, e le misurazioni possono durare per un lungo periodo di tempo.

"Poiché le membrane sono prodotte da cellule umane, è come fare una biopsia della superficie di quella cellula:abbiamo tutto il materiale che sarebbe presente, comprese proteine ​​e lipidi, ma nessuna delle sfide dell'utilizzo di cellule vive, " ha detto la dottoressa Susan Daniel, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare alla Cornell e autore senior dell'articolo di Langmuir.

"Questo tipo di screening viene in genere effettuato dall'industria farmaceutica con cellule vive, ma il nostro dispositivo offre un'alternativa più semplice, " ha affermato il dott. Róisín Owens del Dipartimento di ingegneria chimica e biotecnologia di Cambridge, e autore senior del ACS Nano carta. "Questo metodo è compatibile con lo screening ad alto rendimento e ridurrebbe il numero di falsi positivi che entrano nella pipeline di ricerca e sviluppo".

"Il dispositivo può essere piccolo quanto le dimensioni di una cellula umana e facilmente fabbricabile in array, che ci permette di eseguire più misurazioni contemporaneamente, " ha detto la Dott.ssa Anna-Maria Pappa, anche da Cambridge e primo autore congiunto su entrambi gli articoli.

Ad oggi, lo scopo della ricerca, sostenuto da finanziamenti dell'Agenzia per i progetti di ricerca sulla difesa degli Stati Uniti (DARPA), è stato quello di dimostrare come virus come l'influenza interagiscono con le cellule. Ora, La DARPA ha fornito ulteriori finanziamenti per testare l'efficacia del dispositivo nello screening di potenziali farmaci candidati per COVID-19 in modo sicuro ed efficace.

Dati i rischi significativi per i ricercatori che lavorano su SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19, gli scienziati del progetto si concentreranno sulla creazione di membrane virali e sulla loro fusione con i chip. Le membrane virali sono identiche alla membrana SARS-CoV-2 ma non contengono l'acido nucleico virale. In questo modo è possibile identificare nuovi farmaci o anticorpi per neutralizzare i picchi di virus utilizzati per entrare nella cellula ospite. L'inizio dei lavori è previsto per il 1° agosto.

"Con questo dispositivo, non siamo esposti ad ambienti di lavoro rischiosi per combattere SARS-CoV-2. Il dispositivo accelererà lo screening dei candidati ai farmaci e fornirà risposte alle domande su come funziona questo virus, " ha detto il dottor Han-Yuan Liu, Ricercatore di Cornell e primo autore congiunto di entrambi gli articoli.

Il lavoro futuro si concentrerà sull'aumento della produzione dei dispositivi a Stanford e sull'automazione dell'integrazione delle membrane con i chip, sfruttando l'esperienza di fluidica di Stanford PI Juan Santiago che si unirà al team ad agosto.

"Questo progetto ha unito idee e concetti provenienti da laboratori nel Regno Unito, California e New York, e mostrato un dispositivo che funziona in modo riproducibile in tutti e tre i siti. È un ottimo esempio del potere dell'integrazione tra biologia e scienza dei materiali nell'affrontare problemi globali, ", ha affermato il professor Alberto Salleo, responsabile della PI di Stanford.