Nye farvestoffer registrerer sygdom gennem hjerteslagssignaler

Livlige toner af gul, orange, og rød bevæger sig i bølger hen over skærmen. Selvom displayet ligner psykedelisk kunst, det giver faktisk meget teknisk medicinsk information - den elektriske aktivitet af et bankende hjerte farvet med spændingsfølsomme farvestoffer for at teste for skader eller sygdom.

Disse spændingsfølsomme farvestoffer blev udviklet og patenteret af UConn Health-forskere, som nu er gået i gang med at kommercialisere deres produkt til industri såvel som akademisk brug.

Elektriske signaler eller spændinger er fundamentale i hjernens og hjertevævets naturlige funktion, og forstyrret elektrisk signalering kan være en årsag eller konsekvens af skade eller sygdom. Direkte måling af membranernes elektriske aktivitet med elektroder er ikke muligt til lægemiddelscreening eller diagnostisk billeddannelse på grund af deres lille størrelse. For at synliggøre det elektriske potentiale, forskere bruger fluorescerende spændingssensorer, også kendt som spændingsfølsomme farvestoffer eller VSD'er, der laver celler, væv, eller hele organer lyser op og gør det muligt at måle dem med mikroskoper.

Ikke alle farvestoffer reagerer på spændingsændringer på samme måde, og der er en fælles afvejning mellem deres følsomhed og hastighed. Langsommere farvestoffer kan bruges til lægemiddelscreening med høj følsomhed, men de kan ikke måle egenskaberne ved hurtige aktionspotentialer i nogle væv, som hjerteceller. Hurtige farvestoffer kan bruges til at afbilde handlingspotentialer, men de kræver dyre, tilpasset instrumentering, og er ikke følsomme nok til krystalklare resultater på individuelle celler.

Professor i cellebiologi og direktør for UConn's Center for Cell Analysis &Modeling, Leslie Loew og hans team har udviklet nye hurtige farvestoffer, der også er meget følsomme, eliminerer afvejningen mellem hastighed og følsomhed.

Loew og forskningsmedarbejdere Corey Acker og Ping Yan har viet meget af deres karrierer til at udvikle og karakterisere fluorescerende prober med membranpotentiale som spændingsfølsomme farvestoffer. Holdet har endda leveret deres patenterede hurtige farvestoffer til andre forskere i de sidste 30 år, men de blev først for nylig interesseret i at kommercialisere deres arbejde.

Loew og Ackers første skridt i iværksætteri begyndte i efteråret 2016, da de blev optaget på UConns National Science Foundation (NSF) I-Corps-websted, Accelerer UConn, som er det eneste NSF I-Corps-sted i staten. De krediterer programmet for at give dem et solidt grundlag for at evaluere deres teknologi og forretningsstrategi.

"Dr. Loews erfaring er et glimrende eksempel på, hvordan NSF I-Corp-programmet kan transformere højpotentielle akademiske opdagelser til levedygtige produkter og tjenester med den rette uddannelse, " siger Radenka Maric, UConns vicepræsident for forskning. "Accelerate UConn hjælper vores fremtrædende fakultet med at flytte deres ideer ud over laboratoriet, så de kan slutte sig til rækken af ​​andre succesrige iværksættere og industriledere, og have en indflydelse i vores lokalsamfund og på økonomien."

Acker siger, at programmet også hjalp dem med at identificere en spændende ny markedsmulighed rettet mod medicinalvirksomheder. Disse virksomheder har brug for farvestoffer, der er både hurtige og følsomme til high-throughput screening af potentielle terapeutiske mål. I high-throughput lægemiddelscreening, forskere skaber specielle cellelinjer, og derefter bruge avanceret udstyr til robotisk at anvende forskellige lægemidler til roterende skåle med celler. Cellerne farves med et spændingsfølsomt farvestof, der viser enhver ændring i membranpotentiale eller spænding efter lægemiddelpåføring med ændringer i fluorescens. Acker anslår, at medicinalvirksomheder og kontraktforskningsorganisationer (CRO'er) bruger over $10, 000 på disse farvestoffer for hver ugelang undersøgelse.

Farvestofferne, som Loew, Acker, og Yan develop vil også give lægemiddelvirksomheder mulighed for at reagere på nye regler for hjertesikkerhedsscreening fra Food and Drug Administration kaldet CiPA (den omfattende in vitro proarrythmia-analyse).

CiPA-reglerne sigter mod at etablere bedre måder at opdage bivirkninger af nye lægemidler, der kan forårsage hjertearytmi. I en nøglekomponent i CiPA, screening afsluttes i hjerteceller med et realistisk elektrisk hjerteslag. Loew-teamets hurtigfølsomme farvestoffer kunne tilbyde lægemiddelvirksomheder mere effektive muligheder, end der er tilgængelige i øjeblikket. Da CiPA gælder for alle nye terapier fra vægttabsmedicin til allergimedicin, Loew og Acker forventer stor efterspørgsel efter deres teknologi.

Acker gennemførte snesevis af interviews med eksperter fra industrien, der bruger VSD'er til lægemiddelscreening. De udtrykte alle et behov for farvestoffer med forbedret følsomhed, hurtigere hastighed, og færre uønskede interaktioner eller toksicitet med de celler, der testes.

Loew og hans team var sikre på, at de kunne levere. Deres nye farvestoffer forbedrer de nuværende sensorer, der bruges til lægemiddelscreening, som involverer et to-komponent system og energioverførsel mellem komponenterne. Forskerne producerer farvestoffer, der bruger et nyt VSD-system, hvor energioverførsel er mere effektiv, hvilket resulterer i hurtigere, mere følsomme, og mindre giftige farvestoffer. For nylig har de udviklet og testet to nye farvestoffer, og de har konceptualiseret et par yderligere muligheder. En af deres nuværende prototyper er ekstremt lovende, siger Loew.

Holdet har dannet en startup, Potentiometriske sonder, placeret i UConns teknologiinkubationsprogram, at fortsætte deres kommercialiseringsindsats.