Forskere demonstrerer en teknisk tilgang til at kombinere medicin, kontrollere parasitære orme

Laboratorievideo fortæller historien:lille, parasitære orme, der svømmer frit i en næringsopløsning, er aktive og mobile; udsætte den samme slags orme for en blanding af fire lægemidler, der er optimeret med en teknik, og de er delvist lammede, kæmper på plads.

Eksperimentet viser, at en ingeniørteknologi udviklet og patenteret af Chih-Ming Ho fra University of California, Los Angeles - det kaldes en feedback -systemkontroloptimeringsteknik - kan hurtigt identificere potente lægemiddelkombinationer, der er effektive på en organisme med små dyr.

Opdagelsen rapporteres online i dag, 4. oktober kl. i journalen Videnskab fremskridt . Papirets hovedforfattere er Santosh Pandey, en lektor i el- og computerteknik ved Iowa State University; og Xianting Ding, en professor ved School of Biomedical Engineering ved Kinas Shanghai Jiao Tong University. Medforfattere er Zach Njus, en tidligere kandidatstuderende i Iowa State; Taejoon Kong, en nuværende kandidatstuderende i Iowa State; Wenqiong Su fra Shanghai universitet; og Ho, en fremtrædende forskningsprofessor i mekanik og rumfartsteknik ved UCLA.

Forskningen blev delvist støttet af tilskud til Pandey fra National Science Foundation og Defense Threat Reduction Agency. Kinesiske tilskud støttede også delvist projektet. Jo Anne Powell-Coffman, professor og formand for genetik, udvikling og cellebiologi i Iowa State, givet indsigt i arbejdet med nematoder. Ho's teknik blev patenteret i 2012 som et apparat og tilhørende metoder til manipulation og optimering af biologiske systemer.

Forsøget kan føre til yderligere arbejde, der producerer effektive behandlinger af parasitiske rundorme, eller nematoder, der bidrager til sygdom hos mennesker og husdyr, Sagde Pandey. De få tilgængelige lægemidler til behandling af rundormene mister deres effektivitet, da parasitterne udvikler resistens mod flere lægemidler.

I dette studie, eksemplarer af Caenorhabditis elegans nematoder blev placeret i mikrofluidiske testkamre og udsat for forskellige kombinationer af fire lægemidler, der lammer nematoderne - levamisol, pyrantel, methyridin og tribendimidin.

Eksperimentet byggede på tidligere arbejde fra Pandeys forskningsgruppe for at teste virkningen af ​​individuelle lægemidler på C. elegans nematode. For at måle virkningerne af stofferne, laboratoriet udviklede videosporingssoftware, der kvantificerer en orms bevægelse med hensyn til dens hastighed og krumning. Video til denne undersøgelse fangede og spores ormens bevægelser med et billede i sekundet i 10 minutter.

"Vi ønskede at kvantificere lammelsesbegivenheder i orme ved hjælp af en simpel, identificerbart sæt parametre, "Sagde Pandey." En orm med den højeste krumning og laveste hastighed kæmper virkelig og er lammet. "

Pandey sagde, at et undersøgelsesmål var at finde en blanding, der reducerede lægemiddelkoncentrationer og samtidig øgede toksiciteten. Det kan reducere omkostningerne ved behandling af parasitterne og bekæmpe udviklingen af ​​lægemiddelresistens.

Eksperimentet fungerede sådan, ifølge avisen:

Pandeys gruppe identificerede seks koncentrationsniveauer for hvert af de fire lægemidler. Ho's optimeringssystem tog disse niveauer og foreslog otte forskellige blandinger af de fire lægemidler i forskellige koncentrationer. Pandeys gruppe udsatte orme for hver af de otte og førte resultaterne tilbage til systemet. Systemet beholdt de fire mest effektive kombinationer og foreslog fire flere.

I dette eksperiment, en "vindende cocktail" blev identificeret, efter at processen blev gentaget fire gange i alt 32 tests, ifølge papiret.

Selvom computersystemet kun kræver feedback om eksperimentelle resultater - ingen oplysninger om lægemiddelfarmakologi, dyrs biologi eller andre egenskaber er påkrævet - Pandeys gruppe fandt, at det var et effektivt værktøj til hurtigt at finde en lægemiddelkombination, der var effektiv mod nematoder.

Testen validerer brug af feedback -systemet til lægemiddeltest på nematoder som en hel organisme, ifølge papiret. Ho har tidligere vist, at feedback -systemet kan bruges i cellestudier, herunder udvikling af kræftmedicin og kultursystemer til vedligeholdelse af stamceller.

Forskernes vellykkede demonstration af en effektiv lægemiddelkombination for nematoder kan hjælpe med at finde løsninger på to store problemer forbundet med nematodeinfektioner, Sagde Pandey.

"Den ene er multilægemodstand, "sagde han." Disse parasitter bliver mere resistente over for de lægemidler, vi har brugt. To er den enorme udgift til udvikling af nye lægemidler - det kan tage mere end ti år, og det er meget dyrt. "

Pandey sagde, at eksperimentet tyder på, at yderligere undersøgelse ville være umagen værd.

"Et smartere alternativ til opdagelse af lægemidler ville komme med optimerede kombinationer af eksisterende lægemidler, der er mere effektive og allerede godkendt af Food and Drug Administration, "sagde han." En spændende udfordring ville være at teste, om denne teknik virker på andre modelorganismer og parasitter. "