Las líneas rojas en estas imágenes muestran la actividad de los gusanos redondos parásitos, o nematodos. Las imágenes superiores muestran gusanos redondos activos en una solución nutritiva. Las imágenes inferiores muestran lombrices intestinales que han sido tratadas y paralizadas por un cóctel de cuatro medicamentos. Crédito:el laboratorio de investigación Santosh Pandey
El video de laboratorio cuenta la historia:diminuto, los gusanos parásitos que nadan libremente en una solución nutritiva son activos y móviles; exponen el mismo tipo de gusanos a una mezcla de cuatro fármacos optimizados por una técnica de ingeniería y quedan parcialmente paralizados, luchando en su lugar.
El experimento demuestra que una tecnología de ingeniería desarrollada y patentada por Chih-Ming Ho de la Universidad de California, Los Ángeles, que se denomina técnica de optimización del control del sistema de retroalimentación, puede identificar rápidamente combinaciones de fármacos potentes que son efectivas en un organismo modelo de animal pequeño.
El descubrimiento se informa en línea hoy, 4 de octubre en el diario Avances de la ciencia . Los autores principales del artículo son Santosh Pandey, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Estatal de Iowa; y Xianting Ding, profesor de la Escuela de Ingeniería Biomédica de la Universidad Jiao Tong de Shanghai de China. Los coautores son Zach Njus, un ex estudiante de posgrado del estado de Iowa; Taejoon Kong, un estudiante graduado actual del estado de Iowa; Wenqiong Su de la Universidad de Shanghai; y ho un distinguido profesor de investigación de ingeniería mecánica y aeroespacial en UCLA.
La investigación fue apoyada parcialmente por subvenciones a Pandey de la National Science Foundation y la Defense Threat Reduction Agency. Las subvenciones chinas también apoyaron parcialmente el proyecto. Jo Anne Powell-Coffman, profesor y catedrático de genética, desarrollo y biología celular en el estado de Iowa, proporcionó información sobre cómo trabajar con nematodos. La técnica de Ho fue patentada en 2012 como aparato y métodos asociados para manipular y optimizar sistemas biológicos.
El experimento podría conducir a un trabajo adicional que produzca tratamientos efectivos para los gusanos redondos parásitos, o nematodos, que contribuyen a la enfermedad en las personas y el ganado, Pandey dijo. Los pocos fármacos disponibles para tratar los gusanos redondos están perdiendo su eficacia a medida que los parásitos desarrollan resistencia a múltiples fármacos.
En este estudio, especímenes de la Caenorhabditis elegans Los nematodos se colocaron en cámaras de prueba de microfluidos y se expusieron a diferentes combinaciones de cuatro medicamentos que paralizan a los nematodos:levamisol, pirantel, metiridina y tribendimidina.
El experimento se basó en trabajos previos del grupo de investigación de Pandey para probar los efectos de fármacos individuales en el C. elegans nematodo. Para medir los efectos de las drogas, el laboratorio desarrolló un software de seguimiento de video que cuantifica el movimiento de un gusano en términos de su velocidad y curvatura. El video para este estudio capturó y rastreó los movimientos de los gusanos a un fotograma por segundo durante 10 minutos.
"Queríamos cuantificar los eventos de parálisis en gusanos usando un simple, conjunto identificable de parámetros, ", Dijo Pandey." Un gusano con la curvatura más alta y la velocidad más baja está realmente luchando y está paralizado ".
Pandey dijo que el objetivo del estudio era encontrar una mezcla que redujera las concentraciones de medicamentos y aumentara la toxicidad. Eso podría reducir los costos del tratamiento de los parásitos y combatir el desarrollo de resistencia a los medicamentos.
El experimento funcionó así, según el papel:
El grupo de Pandey identificó seis niveles de concentración para cada uno de los cuatro fármacos. El sistema de optimización de Ho tomó esos niveles y sugirió ocho mezclas diferentes de los cuatro medicamentos en varias concentraciones. El grupo de Pandey expuso gusanos a cada uno de los ocho y devolvió los resultados al sistema. El sistema mantuvo las cuatro combinaciones más efectivas y sugirió cuatro más.
En este experimento, se identificó un "cóctel ganador" después de que el proceso se repitiera cuatro veces para un total de 32 pruebas, según el papel.
Aunque el sistema informático solo requiere retroalimentación sobre los resultados experimentales, no hay información sobre la farmacología de los medicamentos, Se requiere biología animal u otras características:el grupo de Pandey descubrió que era una herramienta eficaz para encontrar rápidamente una combinación de fármacos que fuera eficaz contra los nematodos.
La prueba valida el uso del sistema de retroalimentación para pruebas de drogas en nematodos como un organismo completo, según el papel. Ho ha demostrado previamente que el sistema de retroalimentación se puede utilizar en estudios celulares, incluido el desarrollo de medicamentos contra el cáncer y sistemas de cultivo para mantener las células madre.
La demostración exitosa de los investigadores de una combinación de fármacos eficaz para los nematodos podría ayudar a encontrar soluciones a dos problemas importantes asociados con las infecciones por nematodos, Pandey dijo.
"Uno es la resistencia a múltiples fármacos, ", dijo." Estos parásitos se están volviendo más resistentes a los medicamentos que hemos estado usando. El segundo es el enorme gasto de desarrollar nuevos medicamentos:puede llevar más de diez años y es muy costoso ".
Pandey dijo que el experimento sugiere que valdría la pena realizar más estudios.
"Una alternativa más inteligente al descubrimiento de fármacos sería crear combinaciones optimizadas de fármacos existentes que sean más efectivos y ya estén aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA, por sus siglas en inglés). ", dijo." Un desafío emocionante sería probar si esta técnica funciona en otros organismos modelo y parásitos ".
