Forskare har utvecklat ett mänskligt cellmembran på ett chip som möjliggör kontinuerlig övervakning av hur läkemedel och smittämnen interagerar med våra celler, och kan snart användas för att testa potentiella läkemedelskandidater för covid-19.

Forskarna, från University of Cambridge, Cornell University och Stanford University, säga att deras enhet kan efterlikna vilken celltyp som helst – bakteriell, mänskliga eller till och med de tuffa cellväggarna hos växter. Deras forskning fokuserade nyligen på hur COVID-19 angriper mänskliga cellmembran och, mer viktigt, hur det kan blockeras.

Enheterna har formats på chips samtidigt som cellmembranets orientering och funktionalitet har bevarats och har framgångsrikt använts för att övervaka aktiviteten hos jonkanaler, en klass av protein i mänskliga celler som är målet för mer än 60 % av godkända läkemedel. Resultaten publiceras i två nya tidningar i Langmuir och ACS Nano .

Cellmembran spelar en central roll i biologisk signalering, kontrollera allt från smärtlindring till infektion av ett virus, fungerar som portvakt mellan en cell och omvärlden. Teamet satte sig för att skapa en sensor som bevarar alla de kritiska aspekterna av ett cellmembran – struktur, fluiditet, och kontroll över jonrörelser – utan de tidskrävande steg som krävs för att hålla en cell vid liv.

Enheten använder ett elektroniskt chip för att mäta eventuella förändringar i ett överliggande membran som extraherats från en cell, gör det möjligt för forskarna att säkert och enkelt förstå hur cellen interagerar med omvärlden.

Enheten integrerar cellmembran med ledande polymerelektroder och transistorer. För att generera on-chip-membranen, Cornell-teamet optimerade först en process för att producera membran från levande celler och sedan, arbeta med Cambridge-teamet, coaxade dem på polymerelektroder på ett sätt som bevarade all deras funktionalitet. De hydratiserade ledande polymererna ger en mer "naturlig" miljö för cellmembran och möjliggör robust övervakning av membranets funktion.

Stanford-teamet optimerade polymerelektroderna för att övervaka förändringar i membranen. Enheten förlitar sig inte längre på levande celler som ofta är tekniskt utmanande att hålla vid liv och kräver betydande uppmärksamhet, och mätningar kan pågå under en längre tidsperiod.

"Eftersom membranen produceras från mänskliga celler, det är som att ta en biopsi av den cellens yta – vi har allt material som skulle finnas, inklusive proteiner och lipider, men ingen av utmaningarna med att använda levande celler, " sa Dr Susan Daniel, docent i kemi- och biomolekylär teknik vid Cornell och senior författare till Langmuir-artikeln.

"Denna typ av screening görs vanligtvis av läkemedelsindustrin med levande celler, men vår enhet ger ett enklare alternativ, " sa Dr Róisín Owens från Cambridges avdelning för kemiteknik och bioteknik, och senior författare av ACS Nano papper. "Denna metod är kompatibel med screening med hög genomströmning och skulle minska antalet falska positiva som tar sig in i FoU-pipelinen."

"Enheten kan vara så liten som en mänsklig cell och lätt att tillverka i arrayer, vilket gör att vi kan utföra flera mätningar samtidigt, sa doktor Anna-Maria Pappa, också från Cambridge och gemensam förstaförfattare på båda tidningarna.

Hittills, syftet med forskningen, stöds av finansiering från United States Defense Research Projects Agency (DARPA), har varit att visa hur virus som influensa interagerar med celler. Nu, DARPA har tillhandahållit ytterligare finansiering för att testa enhetens effektivitet vid screening av potentiella läkemedelskandidater för COVID-19 på ett säkert och effektivt sätt.

Med tanke på de betydande riskerna för forskare som arbetar med SARS-CoV-2, viruset som orsakar covid-19, forskare i projektet kommer att fokusera på att tillverka virusmembran och smälta ihop dessa med chipsen. Virusmembranen är identiska med SARS-CoV-2-membranet men innehåller inte den virala nukleinsyran. På så sätt kan nya läkemedel eller antikroppar för att neutralisera virusspetsarna som används för att komma in i värdcellen identifieras. Detta arbete beräknas påbörjas den 1 augusti.

"Med den här enheten, vi utsätts inte för riskabla arbetsmiljöer för att bekämpa SARS-CoV-2. Enheten kommer att påskynda screeningen av läkemedelskandidater och ge svar på frågor om hur detta virus fungerar, " sa Dr. Han-Yuan Liu, Cornellforskare och gemensam förstaförfattare på båda artiklarna.

Framtida arbete kommer att fokusera på att skala upp produktionen av enheterna på Stanford och automatisera integrationen av membranen med chipsen, utnyttja fluidicsexpertisen från Stanford PI Juan Santiago som kommer att ansluta sig till teamet i augusti.

"Detta projekt har slagit samman idéer och koncept från laboratorier i Storbritannien, Kalifornien och New York, och visat en enhet som fungerar reproducerbart på alla tre platserna. Det är ett bra exempel på kraften i att integrera biologi och materialvetenskap för att ta itu med globala problem, " sa Stanford ledande PI professor Alberto Salleo.