Cellemembran på en chip kan fremskynde screening af lægemiddelkandidater for COVID-19

Forskere har udviklet en menneskelig celles 'membran på en chip', der tillader kontinuerlig overvågning af, hvordan lægemidler og infektiøse midler interagerer med vores celler, og kan snart blive brugt til at teste potentielle lægemiddelkandidater for COVID-19.

Forskerne, fra University of Cambridge, Cornell University og Stanford University, sige, at deres enhed kan efterligne enhver celletype - bakteriel, menneskelige eller endda de hårde celles vægge i planter. Deres forskning drejede sig for nylig om, hvordan COVID-19 angriber menneskelige cellemembraner og, vigtigere, hvordan det kan blokeres.

Enhederne er blevet dannet på chips, samtidig med at cellemembranens orientering og funktionalitet bevares og med succes blevet brugt til at overvåge ionkanalers aktivitet, en klasse af proteiner i humane celler, som er målet for mere end 60% af godkendte lægemidler. Resultaterne er offentliggjort i to nylige artikler i Langmuir og ACS Nano .

Cellemembraner spiller en central rolle i biologisk signalering, kontrollere alt fra smertelindring til infektion med en virus, fungerer som portvagt mellem en celle og omverdenen. Teamet satte sig for at skabe en sensor, der bevarer alle de kritiske aspekter ved en cellemembran - struktur, flydende, og kontrol over ionbevægelser-uden de tidskrævende trin, der er nødvendige for at holde en celle i live.

Enheden bruger en elektronisk chip til at måle eventuelle ændringer i en overliggende membran ekstraheret fra en celle, gør det muligt for forskerne sikkert og let at forstå, hvordan cellen interagerer med omverdenen.

Enheden integrerer cellemembraner med ledende polymerelektroder og transistorer. For at generere on-chip-membraner, Cornell -teamet optimerede først en proces til fremstilling af membraner fra levende celler og derefter, arbejder med Cambridge -teamet, lokket dem til polymere elektroder på en måde, der bevarede al deres funktionalitet. De hydratiserede ledende polymerer giver et mere 'naturligt' miljø for cellemembraner og muliggør robust overvågning af membranfunktionen.

Stanford -teamet optimerede de polymere elektroder til overvågning af ændringer i membranerne. Enheden er ikke længere afhængig af levende celler, der ofte er teknisk udfordrende at holde i live og kræver betydelig opmærksomhed, og målinger kan vare over en længere periode.

"Fordi membranerne er fremstillet af menneskelige celler, det er som at have en biopsi af cellens overflade - vi har alt det materiale, der ville være til stede, inklusive proteiner og lipider, men ingen af ​​udfordringerne ved at bruge levende celler, "sagde Dr. Susan Daniel, lektor i kemisk og biomolekylær teknik ved Cornell og seniorforfatter af Langmuir -papiret.

"Denne type screening udføres typisk af medicinalindustrien med levende celler, men vores enhed giver et lettere alternativ, "sagde Dr. Róisín Owens fra Cambridge's Department of Chemical Engineering and Biotechnology, og seniorforfatter af ACS Nano papir. "Denne metode er kompatibel med high-throughput screening og ville reducere antallet af falske positiver, der kommer igennem til F &U-pipelinen."

"Enheden kan være så lille som størrelsen på en menneskelig celle og let fremstillet i arrays, som giver os mulighed for at udføre flere målinger på samme tid, "sagde Dr. Anna-Maria Pappa, også fra Cambridge og fælles første forfatter på begge papirer.

Til dato, formålet med forskningen, støttet af finansiering fra United States Defense Research Projects Agency (DARPA), har været at demonstrere, hvordan vira som influenza interagerer med celler. Nu, DARPA har ydet yderligere midler til at teste enhedens effektivitet ved screening for potentielle lægemiddelkandidater for COVID-19 på en sikker og effektiv måde.

I betragtning af de betydelige risici forbundet med forskere, der arbejder med SARS-CoV-2, virussen, der forårsager COVID-19, forskere på projektet vil fokusere på at lave virusmembraner og fusionere dem med chipsene. Virusmembranerne er identiske med SARS-CoV-2-membranen, men indeholder ikke den virale nukleinsyre. På denne måde kan nye lægemidler eller antistoffer til neutralisering af virusspidser, der bruges til at komme ind i værtscellen, identificeres. Dette arbejde forventes at komme i gang den 1. august.

"Med denne enhed, vi er ikke udsat for risikable arbejdsmiljøer til bekæmpelse af SARS-CoV-2. Enheden vil fremskynde screeningen af ​​lægemiddelkandidater og give svar på spørgsmål om, hvordan denne virus fungerer, "sagde Dr. Han-Yuan Liu, Cornell -forsker og fælles første forfatter på begge artikler.

Fremtidens arbejde vil fokusere på at skalere produktionen af ​​enhederne i Stanford og automatisere integrationen af ​​membranerne med chipsene, udnytter fluidics -ekspertisen fra Stanford PI Juan Santiago, der tiltræder teamet i august.

"Dette projekt har fusioneret ideer og koncepter fra laboratorier i Storbritannien, Californien og New York, og vist en enhed, der fungerer reproducerbart på alle tre steder. Det er et godt eksempel på kraften i at integrere biologi og materialevidenskab i håndteringen af ​​globale problemer, "sagde Stanford -leder PI -professor Alberto Salleo.