Manieren vinden om het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen te verbeteren – wat momenteel kostbaar is, tijdrovend en heeft een astronomisch hoog percentage mislukkingen – kan verstrekkende voordelen hebben voor de gezondheidszorg en de economie. Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een cellulaire interfacing-array ontworpen met behulp van goedkope elektronica die meerdere cellulaire eigenschappen en reacties in realtime meet. Hierdoor zouden veel meer potentiële geneesmiddelen veel sneller uitgebreid kunnen worden getest op werkzaamheid en toxische effecten. Daarom Hua Wang, universitair hoofddocent aan de School of Electrical and Computer Engineering aan Georgia Tech, beschrijft het als "ons helpen de gouden naald in de hooiberg te vinden."

Farmaceutische bedrijven gebruiken celgebaseerde testen, een combinatie van levende cellen en sensorelektronica, om fysiologische veranderingen in de cellen te meten. Die gegevens worden gebruikt voor high-throughput screening (HTS) tijdens het ontdekken van geneesmiddelen. In deze vroege fase van de ontwikkeling van geneesmiddelen, het doel is om doelroutes en veelbelovende chemische verbindingen te identificeren die verder kunnen worden ontwikkeld - en om die te elimineren die ineffectief of toxisch zijn - door de fysiologische reacties van de cellen op elke verbinding te meten.

Fenotypische testen van duizenden kandidaat-verbindingen, met de meerderheid "vroeg falen, " laat alleen de meest veelbelovende toe om verder te worden ontwikkeld tot medicijnen en misschien uiteindelijk om klinische proeven te ondergaan, waar het falen van medicijnen veel duurder is. Maar de meeste bestaande celgebaseerde testen gebruiken elektronische sensoren die slechts één fysiologische eigenschap tegelijk kunnen meten en geen holistische cellulaire reacties kunnen verkrijgen.

Dat is waar het nieuwe cellulaire detectieplatform van pas komt. "De innovatie van onze technologie is dat we de opmars van nano-elektronische technologieën kunnen benutten om cellulaire interfaceplatforms te creëren met enorm parallelle pixels, "zei Wang. "En binnen elke pixel kunnen we meerdere fysiologische parameters van dezelfde groep cellen tegelijkertijd detecteren." De experimentele quad-modaliteitschip biedt extracellulaire of intracellulaire potentiële opname, optische detectie, cellulaire impedantiemeting, en bifasische stroomstimulatie.

Wang zei dat de nieuwe technologie vier voordelen biedt ten opzichte van bestaande platforms:

• Multimodale detectie:het vermogen van de chip om meerdere parameters op hetzelfde cellulaire monster vast te leggen, geeft onderzoekers de mogelijkheid om complexe cellulaire reacties volledig te volgen, ontdek de correlaties tussen die parameters en onderzoek hoe ze samen kunnen reageren bij blootstelling aan drugs. "Levende cellen zijn kleine maar zeer complexe systemen. Toediening van medicijnen resulteert vaak in meerdere fysiologische veranderingen, maar dit kan niet worden gedetecteerd met conventionele enkelvoudige detectie, " zei Wang.
• Groot gezichtsveld:het platform stelt onderzoekers in staat om het gedrag van cellen in een groot aggregaat te onderzoeken om te zien hoe ze collectief reageren op weefselniveau.
• Kleine ruimtelijke resolutie:niet alleen kunnen onderzoekers cellen op weefselniveau bekijken, ze konden ze ook onderzoeken in eencellige of zelfs subcellulaire resolutie.
• Goedkoop platform:het nieuwe arrayplatform is gebaseerd op standaard complementaire metaaloxidehalfgeleidertechnologieën (CMOS), die ook wordt gebruikt om computerchips te bouwen, en kan eenvoudig worden opgeschaald voor massaproductie.

Wang's team werkte nauw samen met Hee Cheol Cho, universitair hoofddocent en de Urowsky-Sahr Scholar in Pediatric Bioengineering, wiens Heart Regeneration-lab deel uitmaakt van de Wallace Coulter Department of Biomedical Engineering van Georgia Tech en Emory University. Ze gebruikten ventriculaire myocyten van neonatale ratten en cardiale fibroblasten om het multiparametrische celprofileringsvermogen van de array voor het screenen van geneesmiddelen te illustreren. De recente resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift van de Royal Society of Chemistry Lab op een chip op 31 augustus 2018.

Het monitoren van cellulaire reacties in multi-fysieke domeinen en holistische multi-parametrische cellulaire profilering zou ook nuttig moeten zijn bij het screenen van chemische verbindingen die schadelijke effecten kunnen hebben op bepaalde organen, zei Jong Seok-park, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Wang en een vooraanstaand auteur van de studie. Veel medicijnen zijn uit de handel genomen nadat was ontdekt dat ze toxische effecten hadden op het hart of de lever, bijvoorbeeld. Dit platform moet onderzoekers in staat stellen uitgebreid te testen op orgaantoxiciteit en andere bijwerkingen in de beginfase van de ontdekking van geneesmiddelen.

De experimentele chip kan nuttig zijn voor andere toepassingen, inclusief gepersonaliseerde geneeskunde – bijvoorbeeld het testen van kankercellen van een bepaalde patiënt. "De variatie van patiënt tot patiënt is enorm, zelfs met hetzelfde type medicijn, " zei Wang. De cellulaire interface-array zou kunnen worden gebruikt om te zien welke combinatie van bestaande medicijnen de beste respons zou geven en om de optimale dosis te vinden die het meest effectief is met minimale toxiciteit voor gezonde cellen.

De chip kan zowel aansturen als voelen. In de toekomst, Wang zei dat mobiele gegevens van de chip kunnen worden geüpload en verwerkt, en op basis daarvan commando's voor nieuwe bediening of data-acquisitie kunnen automatisch en draadloos naar de chip worden gestuurd. Hij ziet kamers en kamers met kweekkamers met miljoenen van dergelijke chips in volledig geautomatiseerde faciliteiten, "gewoon automatisch nieuwe medicijnen voor ons selecteren, " hij zei.

Naast deze toepassingen, Wang wees op de wetenschappelijke waarde van het onderzoek zelf. Geïntegreerde schakelingen en nano-elektronica zijn enkele van de meest geavanceerde technologieplatforms die door mensen zijn gemaakt. Levende cellen, anderzijds, zijn complexe producten die zijn geproduceerd door miljarden jaren van natuurlijke selectie en evolutie.

"Het centrale thema van ons onderzoek is hoe we het beste platform dat door de natuur is gecreëerd, kunnen gebruiken met het beste platform dat door mensen is gemaakt, " zei hij. "Kunnen we ze laten samenwerken om hybride systemen te creëren die mogelijkheden bieden die verder gaan dan alleen biologie of alleen elektronische systemen? De fundamentele wetenschappelijke vraag die we aanpakken is hoe we anorganische elektronica beter kunnen laten communiceren met organische levende cellen."