Encontrar formas de mejorar el proceso de desarrollo de fármacos, que actualmente es costoso, requiere mucho tiempo y tiene una tasa de fallas astronómicamente alta, podría tener beneficios de gran alcance para la atención médica y la economía. Investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han diseñado una matriz de interconexión celular utilizando electrónica de bajo costo que mide múltiples propiedades y respuestas celulares en tiempo real. Esto podría permitir que muchos más fármacos potenciales se prueben de forma exhaustiva en cuanto a eficacia y efectos tóxicos mucho más rápido. Por eso Hua Wang, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech, lo describe como "ayudarnos a encontrar la aguja dorada en el pajar".

Las empresas farmacéuticas utilizan ensayos basados ​​en células, una combinación de células vivas y sensores electrónicos, para medir los cambios fisiológicos en las células. Esos datos se utilizan para la detección de alto rendimiento (HTS) durante el descubrimiento de fármacos. En esta fase inicial del desarrollo de fármacos, el objetivo es identificar las vías objetivo y los compuestos químicos prometedores que podrían desarrollarse más, y eliminar los que son ineficaces o tóxicos, midiendo las respuestas fisiológicas de las células a cada compuesto.

Pruebas fenotípicas de miles de compuestos candidatos, con la mayoría "fallando temprano, "permite que solo los más prometedores se desarrollen más en medicamentos y tal vez eventualmente se sometan a ensayos clínicos, donde el fracaso de los medicamentos es mucho más costoso. Pero la mayoría de los ensayos basados ​​en células existentes utilizan sensores electrónicos que solo pueden medir una propiedad fisiológica a la vez y no pueden obtener respuestas celulares holísticas.

Ahí es donde entra la nueva plataforma de detección celular ". La innovación de nuestra tecnología es que podemos aprovechar el avance de las tecnologías nanoelectrónicas para crear plataformas de interfaz celular con píxeles masivamente paralelos, "dijo Wang." Y dentro de cada píxel podemos detectar múltiples parámetros fisiológicos del mismo grupo de células al mismo tiempo ". El chip de modalidad cuádruple experimental presenta registro de potencial extracelular o intracelular, detección óptica, medición de impedancia celular, y estimulación de corriente bifásica.

Wang dijo que la nueva tecnología ofrece cuatro ventajas sobre las plataformas existentes:

• Detección multimodal:la capacidad del chip para registrar múltiples parámetros en la misma muestra celular brinda a los investigadores la capacidad de monitorear de manera integral respuestas celulares complejas, descubrir las correlaciones entre esos parámetros e investigar cómo pueden responder juntos cuando se exponen a las drogas. "Las células vivas son sistemas pequeños pero muy complejos. La administración de fármacos a menudo da lugar a múltiples cambios fisiológicos, pero esto no se puede detectar usando la detección convencional unimodal, "dijo Wang.
• Gran campo de visión:la plataforma permite a los investigadores examinar el comportamiento de las células en un agregado grande para ver cómo responden colectivamente a nivel de tejido.
• Resolución espacial pequeña:los investigadores no solo pueden observar las células a nivel de tejido, también podrían examinarlos a una resolución unicelular o incluso subcelular.
• Plataforma de bajo costo:la nueva plataforma de matriz se basa en tecnologías estándar de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS), que también se usa para construir chips de computadora, y se puede ampliar fácilmente para la producción en masa.

El equipo de Wang trabajó en estrecha colaboración con Hee Cheol Cho, profesor asociado y becario Urowsky-Sahr en bioingeniería pediátrica, cuyo laboratorio de Regeneración del Corazón es parte del Departamento de Ingeniería Biomédica de Wallace Coulter en Georgia Tech y Emory University. Utilizaron miocitos ventriculares de rata neonatal y fibroblastos cardíacos para ilustrar la capacidad de perfilado celular multiparamétrico de la matriz para la detección de fármacos. Los resultados recientes fueron publicados en la revista de la Royal Society of Chemistry. Laboratorio en un chip el 31 de agosto 2018.

El monitoreo de las respuestas celulares en dominios multifísicos y el perfil celular multiparamétrico holístico también deberían resultar beneficiosos para detectar compuestos químicos que podrían tener efectos nocivos en ciertos órganos. dijo Jong Seok Park, becario postdoctoral en el laboratorio de Wang y autor principal del estudio. Muchos medicamentos se retiraron del mercado después de descubrirse que tenían efectos tóxicos en el corazón o el hígado. por ejemplo. Esta plataforma debería permitir a los investigadores realizar pruebas exhaustivas de la toxicidad orgánica y otros efectos secundarios en las fases iniciales del descubrimiento de fármacos.

El chip experimental puede ser útil para otras aplicaciones, incluida la medicina personalizada, por ejemplo, prueba de células cancerosas de un paciente en particular. "La variación de paciente a paciente es enorme, incluso con el mismo tipo de droga, ", dijo Wang. La matriz de interfaz celular podría usarse para ver qué combinación de medicamentos existentes daría la mejor respuesta y para encontrar la dosis óptima que sea más efectiva con una toxicidad mínima para las células sanas.

El chip es capaz de actuar y detectar. En el futuro, Wang dijo que los datos móviles del chip podrían cargarse y procesarse. y en base a eso, Los comandos para una nueva actuación o adquisición de datos podrían enviarse al chip de forma automática e inalámbrica. Él imagina salas y salas que contienen cámaras de cultivo con millones de chips de este tipo en instalaciones totalmente automatizadas, "simplemente haciendo automáticamente la selección de nuevos medicamentos para nosotros, " él dijo.

Más allá de estas aplicaciones, Wang destacó el valor científico de la investigación en sí. Los circuitos integrados y la nanoelectrónica son algunas de las plataformas tecnológicas más sofisticadas creadas por humanos. Células vivas, por otra parte, son productos complejos producidos a través de miles de millones de años de selección y evolución natural.

"El tema central de nuestra investigación es cómo podemos aprovechar la mejor plataforma creada por la naturaleza con la mejor plataforma creada por humanos, ", dijo." ¿Podemos dejar que trabajen juntos para crear sistemas híbridos que logren capacidades más allá de los sistemas de solo biología o solo de electrónica? La cuestión científica fundamental que estamos abordando es cómo podemos permitir que la electrónica inorgánica interactúe mejor con las células vivas orgánicas ".