Onderzoekers hebben een 'membraan op een chip' van menselijke cellen ontwikkeld waarmee continu kan worden gecontroleerd hoe medicijnen en infectieuze agentia interageren met onze cellen, en kan binnenkort worden gebruikt om potentiële kandidaat-geneesmiddelen voor COVID-19 te testen.

De onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge, Cornell University en Stanford University, zeggen dat hun apparaat elk celtype kan nabootsen - bacterieel, mens of zelfs de taaie celwanden van planten. Hun onderzoek draaide onlangs om hoe COVID-19 menselijke celmembranen aanvalt en, belangrijker, hoe het kan worden geblokkeerd.

De apparaten zijn gevormd op chips met behoud van de oriëntatie en functionaliteit van het celmembraan en zijn met succes gebruikt om de activiteit van ionkanalen te volgen, een klasse van eiwitten in menselijke cellen die het doelwit zijn van meer dan 60% van de goedgekeurde geneesmiddelen. De resultaten zijn gepubliceerd in twee recente papers in Langmuir en ACS Nano .

Celmembranen spelen een centrale rol bij biologische signalering, alles beheersen, van pijnverlichting tot infectie door een virus, optreden als poortwachter tussen een cel en de buitenwereld. Het team ging op zoek naar een sensor die alle kritieke aspecten van een celmembraanstructuur behoudt, vloeibaarheid, en controle over de ionenbeweging - zonder de tijdrovende stappen die nodig zijn om een ​​cel in leven te houden.

Het apparaat gebruikt een elektronische chip om eventuele veranderingen in een bovenliggend membraan uit een cel te meten, waardoor de wetenschappers veilig en gemakkelijk kunnen begrijpen hoe de cel interageert met de buitenwereld.

Het apparaat integreert celmembranen met geleidende polymeerelektroden en transistors. Om de on-chip membranen te genereren, het Cornell-team optimaliseerde eerst een proces om membranen van levende cellen te produceren en vervolgens, werken met het Cambridge-team, overhaalde ze op polymere elektroden op een manier die al hun functionaliteit behield. De gehydrateerde geleidende polymeren zorgen voor een meer 'natuurlijke' omgeving voor celmembranen en maken een robuuste monitoring van de membraanfunctie mogelijk.

Het Stanford-team optimaliseerde de polymere elektroden voor het bewaken van veranderingen in de membranen. Het apparaat is niet langer afhankelijk van levende cellen die technisch vaak moeilijk in leven te houden zijn en veel aandacht vereisen, en metingen kunnen over een langere periode duren.

"Omdat de membranen worden geproduceerd uit menselijke cellen, het is alsof we een biopsie van het oppervlak van die cel hebben - we hebben al het materiaal dat aanwezig zou zijn, inclusief eiwitten en lipiden, maar geen van de uitdagingen van het gebruik van levende cellen, " zei Dr. Susan Daniel, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering bij Cornell en senior auteur van de Langmuir-paper.

"Dit type screening wordt meestal gedaan door de farmaceutische industrie met levende cellen, maar ons apparaat biedt een eenvoudiger alternatief, " zei Dr. Róisín Owens van Cambridge's Department of Chemical Engineering and Biotechnology, en senior auteur van de ACS Nano papier. "Deze methode is compatibel met screening met hoge doorvoer en zou het aantal valse positieven verminderen dat doordringt in de R&D-pijplijn."

"Het apparaat kan zo klein zijn als de grootte van een menselijke cel en gemakkelijk in reeksen worden gefabriceerd, waardoor we meerdere metingen tegelijk kunnen doen, " zei Dr. Anna-Maria Pappa, ook uit Cambridge en gezamenlijke eerste auteur van beide artikelen.

Daten, het doel van het onderzoek, ondersteund door financiering van de United States Defense Research Projects Agency (DARPA), is geweest om aan te tonen hoe virussen zoals influenza interageren met cellen. Nutsvoorzieningen, DARPA heeft aanvullende financiering verstrekt om de effectiviteit van het apparaat bij het screenen op potentiële kandidaat-geneesmiddelen voor COVID-19 op een veilige en effectieve manier te testen.

Gezien de aanzienlijke risico's voor onderzoekers die aan SARS-CoV-2 werken, het virus dat COVID-19 veroorzaakt, wetenschappers van het project zullen zich richten op het maken van virusmembranen en het samensmelten daarvan met de chips. De virusmembranen zijn identiek aan het SARS-CoV-2-membraan, maar bevatten niet het virale nucleïnezuur. Op deze manier kunnen nieuwe medicijnen of antilichamen worden geïdentificeerd om de viruspieken te neutraliseren die worden gebruikt om de gastheercel binnen te dringen. Naar verwachting starten deze werkzaamheden op 1 augustus.

"Met dit apparaat we worden niet blootgesteld aan risicovolle werkomgevingen voor de bestrijding van SARS-CoV-2. Het apparaat zal de screening van kandidaat-geneesmiddelen versnellen en antwoorden geven op vragen over hoe dit virus werkt, " zei Dr. Han-Yuan Liu, Cornell-onderzoeker en gezamenlijke eerste auteur van beide artikelen.

Toekomstige werkzaamheden zullen gericht zijn op het opschalen van de productie van de apparaten bij Stanford en het automatiseren van de integratie van de membranen met de chips, gebruikmakend van de fluïdische expertise van Stanford PI Juan Santiago, die in augustus het team zal komen versterken.

"Dit project heeft ideeën en concepten van laboratoria in het VK samengevoegd, Californië en New York, en toonde een apparaat dat reproduceerbaar werkt op alle drie de locaties. Het is een geweldig voorbeeld van de kracht van het integreren van biologie en materiaalwetenschap bij het aanpakken van mondiale problemen, " zei Stanford hoofd PI professor Alberto Salleo.