Att hitta sätt att förbättra läkemedelsutvecklingsprocessen – som för närvarande är kostsam, tidskrävande och har en astronomiskt hög misslyckandefrekvens – skulle kunna ha långtgående fördelar för vården och ekonomin. Forskare från Georgia Institute of Technology har designat en mobilgränssnittsgrupp med hjälp av lågpriselektronik som mäter flera cellulära egenskaper och svar i realtid. Detta skulle kunna göra det möjligt för många fler potentiella läkemedel att bli omfattande testade för effektivitet och toxiska effekter mycket snabbare. Det är därför Hua Wang, docent vid School of Electrical and Computer Engineering vid Georgia Tech, beskriver det som att "hjälpa oss att hitta guldnålen i höstacken."

Läkemedelsföretag använder cellbaserade analyser, en kombination av levande celler och sensorelektronik, att mäta fysiologiska förändringar i cellerna. Dessa data används för screening med hög genomströmning (HTS) under läkemedelsupptäckt. I denna tidiga fas av läkemedelsutveckling, Målet är att identifiera målvägar och lovande kemiska föreningar som skulle kunna utvecklas vidare – och att eliminera de som är ineffektiva eller toxiska – genom att mäta cellernas fysiologiska svar på varje förening.

Fenotypisk testning av tusentals kandidatföreningar, med majoriteten "misslyckas tidigt, " tillåter endast de mest lovande att vidareutvecklas till läkemedel och kanske så småningom genomgå kliniska prövningar, där drogmisslyckande är mycket dyrare. Men de flesta befintliga cellbaserade analyser använder elektroniska sensorer som bara kan mäta en fysiologisk egenskap åt gången och inte kan erhålla holistiska cellulära svar.

Det är där den nya cellulära avkänningsplattformen kommer in. "Innovationen med vår teknik är att vi kan utnyttja framstegen inom nanoelektroniska teknologier för att skapa cellulära gränssnittsplattformar med massivt parallella pixlar, ", sa Wang. "Och inom varje pixel kan vi upptäcka flera fysiologiska parametrar från samma grupp av celler samtidigt." Det experimentella quad-modalitetschippet har extracellulär eller intracellulär potentialinspelning optisk detektion, cellulär impedansmätning, och bifasisk strömstimulering.

Wang sa att den nya tekniken erbjuder fyra fördelar jämfört med befintliga plattformar:

• Multimodal avkänning:chipets förmåga att registrera flera parametrar på samma cellprov ger forskare möjligheten att heltäckande övervaka komplexa cellulära svar, avslöja sambanden mellan dessa parametrar och undersöka hur de kan reagera tillsammans när de utsätts för droger. "Levande celler är små men mycket komplexa system. Läkemedelsadministration resulterar ofta i flera fysiologiska förändringar, men detta kan inte detekteras med konventionell enkelmodal avkänning, " sa Wang.
• Stort synfält:Plattformen tillåter forskare att undersöka beteendet hos celler i ett stort aggregat för att se hur de reagerar kollektivt på vävnadsnivå.
• Liten rumslig upplösning:Forskare kan inte bara titta på celler på vävnadsnivå, de kunde också undersöka dem med encells eller till och med subcellulär upplösning.
• Lågkostnadsplattform:Den nya arrayplattformen är byggd på standardkomplementära metalloxidhalvledarteknologier (CMOS), som också används för att bygga datorchips, och kan lätt skalas upp för massproduktion.

Wangs team arbetade nära Hee Cheol Cho, docent och Urowsky-Sahr Scholar in Pediatric Bioengineering, vars Heart Regeneration-labb är en del av Wallace Coulter Department of Biomedical Engineering vid Georgia Tech och Emory University. De använde neonatala råttventrikulära myocyter och hjärtfibroblaster för att illustrera den multiparametriska cellprofileringsförmågan hos arrayen för läkemedelsscreening. De senaste resultaten publicerades i Royal Society of Chemistrys tidskrift Lab on a Chip den 31 augusti, 2018.

Övervakning av cellulära svar i multifysiska domäner och holistisk multiparametrisk cellulär profilering bör också visa sig vara fördelaktigt för att screena bort kemiska föreningar som kan ha skadliga effekter på vissa organ, sa Jong Seok Park, en postdoktor i Wangs labb och en ledande författare av studien. Många läkemedel har tagits ut från marknaden efter upptäckter att de hade toxiska effekter på hjärtat eller levern, till exempel. Denna plattform bör göra det möjligt för forskare att heltäckande testa för organtoxicitet och andra biverkningar i de inledande faserna av läkemedelsupptäckten.

Det experimentella chippet kan vara användbart för andra applikationer, inklusive personlig medicin – till exempel, testa cancerceller från en viss patient. "Skillnaden mellan patient och patient är enorm, även med samma typ av drog, ", sa Wang. Den cellulära gränssnittsarrayen kan användas för att se vilken kombination av befintliga läkemedel som skulle ge det bästa svaret och för att hitta den optimala dosen som är mest effektiv med minimal toxicitet för friska celler.

Chipet kan aktiveras såväl som avkänning. I framtiden, Wang sa att mobildata från chipet kunde laddas upp och bearbetas, och utifrån det, kommandon för ny aktivering eller datainsamling kan skickas till chippet automatiskt och trådlöst. Han föreställer sig rum och rum som innehåller kulturkammare med miljontals sådana chips i helautomatiska anläggningar, "gör automatiskt ett nytt läkemedelsval för oss, " han sa.

Utöver dessa applikationer, Wang noterade det vetenskapliga värdet av själva forskningen. Integrerade kretsar och nanoelektronik är några av de mest sofistikerade teknikplattformarna som skapats av människor. Levande celler, å andra sidan, är komplexa produkter som produceras genom miljarder år av naturligt urval och utveckling.

"Det centrala temat för vår forskning är hur vi kan utnyttja den bästa plattformen som skapats av naturen med den bästa plattformen som skapats av människor, "sa han." Kan vi låta dem arbeta tillsammans för att skapa hybridsystem som uppnår kapacitet utöver biologi eller endast elektronik? Den grundläggande vetenskapliga frågan vi tar upp är hur vi kan låta oorganisk elektronik bättre samverka med organiska levande celler."