Laboratorievideo berättar historien:liten, parasitmaskar som simmar fritt i en näringslösning är aktiva och rörliga; utsätta samma typ av maskar för en blandning av fyra läkemedel optimerade med en ingenjörsteknik och de blir delvis förlamade, kämpar på plats.

Experimentet visar att en ingenjörsteknik utvecklad och patenterad av Chih-Ming Ho vid University of California, Los Angeles – det kallas en teknik för optimering av kontrollsystem för återkoppling – kan snabbt identifiera potenta läkemedelskombinationer som är effektiva på en modellorganism med små djur.

Upptäckten rapporteras online idag, 4 oktober, i journalen Vetenskapens framsteg . Tidningens huvudförfattare är Santosh Pandey, en docent i elektro- och datorteknik vid Iowa State University; och Xianting Ding, en professor vid School of Biomedical Engineering vid Kinas Shanghai Jiao Tong University. Medförfattare är Zach Njus, en tidigare doktorand i Iowa State; Taejoon Kong, en nuvarande doktorand i Iowa State; Wenqiong Su vid Shanghais universitet; och Ho, en framstående forskningsprofessor i maskin- och rymdteknik vid UCLA.

Forskningen stöddes delvis av anslag till Pandey från National Science Foundation och Defense Threat Reduction Agency. Kinesiska bidrag stödde också delvis projektet. Jo Anne Powell-Coffman, professor och ordförande i genetik, utveckling och cellbiologi i Iowa State, gav insikter om att arbeta med nematoder. Ho:s teknik patenterades 2012 som en apparat och tillhörande metoder för att manipulera och optimera biologiska system.

Experimentet kan leda till ytterligare arbete som producerar effektiva behandlingar för parasitära rundmaskar, eller nematoder, som bidrar till sjukdomar hos människor och boskap, sa Pandey. De få läkemedel som finns tillgängliga för att behandla spolmaskarna förlorar sin effektivitet när parasiterna utvecklar resistens mot flera läkemedel.

I den här studien, exemplar av Caenorhabditis elegans nematoder placerades i mikrofluidiska testkammare och exponerades för olika kombinationer av fyra läkemedel som förlamar nematoderna - levamisol, pyrantel, metyridin och tribendimidin.

Experimentet byggde på tidigare arbete av Pandeys forskargrupp för att testa effekterna av enskilda läkemedel på C. elegans nematod. För att mäta effekten av drogerna, labbet utvecklade programvara för videospårning som kvantifierar en masks rörelse i termer av dess hastighet och krökning. Video för denna studie fångade och spårade maskarnas rörelser med en bild per sekund i 10 minuter.

"Vi ville kvantifiera förlamningshändelser i maskar med en enkel, identifierbar uppsättning parametrar, " sade Pandey. "En mask med den högsta krökningen och lägsta hastigheten kämpar verkligen och är förlamad."

Pandey sa att ett studiemål var att hitta en blandning som minskade läkemedelskoncentrationerna samtidigt som toxiciteten ökade. Det skulle kunna minska kostnaderna för att behandla parasiterna och bekämpa utvecklingen av läkemedelsresistens.

Experimentet fungerade så här, enligt tidningen:

Pandeys grupp identifierade sex koncentrationsnivåer för vart och ett av de fyra läkemedlen. Ho:s optimeringssystem tog dessa nivåer och föreslog åtta olika blandningar av de fyra läkemedlen i olika koncentrationer. Pandeys grupp exponerade maskar för var och en av de åtta och matade tillbaka resultaten till systemet. Systemet behöll de fyra mest effektiva kombinationerna och föreslog fyra till.

I detta experiment, en "vinnande cocktail" identifierades efter att processen upprepats fyra gånger för totalt 32 tester, enligt tidningen.

Även om datorsystemet bara kräver feedback om experimentella resultat - ingen information om läkemedelsfarmakologi, djurbiologi eller andra egenskaper krävs - Pandeys grupp fann att det var ett effektivt verktyg för att snabbt hitta en läkemedelskombination som var effektiv mot nematoder.

Testet validerar användningen av feedbacksystemet för drogtester på nematoder som en hel organism, enligt tidningen. Ho har tidigare visat att återkopplingssystemet kan användas i cellstudier, inklusive utveckling av cancerläkemedel och odlingssystem för att upprätthålla stamceller.

Forskarnas framgångsrika demonstration av en effektiv läkemedelskombination för nematoder kan hjälpa till att hitta lösningar på två stora problem i samband med nematodinfektioner, sa Pandey.

"Det ena är multidrogresistens, ", sade han. "Dessa parasiter blir mer resistenta mot drogerna som vi har använt. Två är den enorma kostnaden för att utveckla nya läkemedel - det kan ta mer än tio år och det är väldigt kostsamt."

Pandey sa att experimentet tyder på att ytterligare studier skulle vara värt besväret.

"Ett smartare alternativ till läkemedelsupptäckt skulle vara att komma med optimerade kombinationer av befintliga läkemedel som är mer effektiva och redan godkända av Food and Drug Administration, ", sade han. "En spännande utmaning skulle vara att testa om denna teknik fungerar på andra modellorganismer och parasiter."