Encontrar maneiras de melhorar o processo de desenvolvimento de medicamentos - que atualmente é caro, demorado e tem uma taxa de falha astronomicamente alta - pode ter benefícios de longo alcance para a saúde e a economia. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia projetaram uma matriz de interface celular usando eletrônicos de baixo custo que medem várias propriedades celulares e respostas em tempo real. Isso poderia permitir que muitos outros medicamentos potenciais fossem exaustivamente testados quanto à eficácia e efeitos tóxicos muito mais rapidamente. É por isso que Hua Wang, professor associado da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Georgia Tech, o descreve como "nos ajudando a encontrar a agulha de ouro no palheiro".

As empresas farmacêuticas usam ensaios baseados em células, uma combinação de células vivas e sensores eletrônicos, para medir as mudanças fisiológicas nas células. Esses dados são usados ​​para triagem de alto rendimento (HTS) durante a descoberta de medicamentos. Nesta fase inicial de desenvolvimento de drogas, o objetivo é identificar caminhos-alvo e compostos químicos promissores que podem ser desenvolvidos posteriormente - e eliminar aqueles que são ineficazes ou tóxicos - medindo as respostas fisiológicas das células a cada composto.

Teste fenotípico de milhares de compostos candidatos, com a maioria "falhando cedo, "permite que apenas os mais promissores sejam desenvolvidos em drogas e talvez, eventualmente, sejam submetidos a ensaios clínicos, onde o fracasso do medicamento é muito mais caro. Mas a maioria dos ensaios baseados em células existentes usa sensores eletrônicos que podem medir apenas uma propriedade fisiológica por vez e não podem obter respostas celulares holísticas.

É aí que entra a nova plataforma de sensoriamento celular. "A inovação de nossa tecnologia é que somos capazes de alavancar o avanço das tecnologias nanoeletrônicas para criar plataformas de interface celular com pixels maciçamente paralelos, "disse Wang." E dentro de cada pixel podemos detectar vários parâmetros fisiológicos do mesmo grupo de células ao mesmo tempo. "O chip experimental de modalidade quádrupla apresenta gravação de potencial extracelular ou intracelular, detecção óptica, medição de impedância celular, e estimulação por corrente bifásica.

Wang disse que a nova tecnologia oferece quatro vantagens sobre as plataformas existentes:

• Detecção multimodal:a capacidade do chip de registrar vários parâmetros na mesma amostra celular dá aos pesquisadores a capacidade de monitorar de forma abrangente respostas celulares complexas, descobrir as correlações entre esses parâmetros e investigar como eles podem responder juntos quando expostos a drogas. "As células vivas são sistemas pequenos, mas altamente complexos. A administração de medicamentos geralmente resulta em várias alterações fisiológicas, mas isso não pode ser detectado usando a detecção monomodal convencional, "disse Wang.
• Grande campo de visão:a plataforma permite que os pesquisadores examinem o comportamento das células em um grande agregado para ver como elas respondem coletivamente no nível do tecido.
• Resolução espacial pequena:os pesquisadores não apenas podem olhar para as células no nível do tecido, eles também poderiam examiná-los em resolução de célula única ou mesmo subcelular.
• Plataforma de baixo custo:a nova plataforma de array é construída com base em tecnologias de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) padrão, que também é usado para construir chips de computador, e pode ser facilmente ampliado para produção em massa.

A equipe de Wang trabalhou em estreita colaboração com Hee Cheol Cho, professor associado e Urowsky-Sahr Scholar em Pediatric Bioengineering, cujo laboratório de regeneração do coração faz parte do Departamento de Engenharia Biomédica Wallace Coulter da Georgia Tech e da Emory University. Eles usaram miócitos ventriculares de rato neonatais e fibroblastos cardíacos para ilustrar a capacidade de perfilamento celular multiparamétrico da matriz para rastreamento de drogas. Os resultados recentes foram publicados no jornal da Royal Society of Chemistry Lab on a Chip em 31 de agosto, 2018.

O monitoramento de respostas celulares em domínios multifísicos e perfis celulares multi-paramétricos holísticos também deve ser benéfico na triagem de compostos químicos que podem ter efeitos prejudiciais em certos órgãos, disse Jong Seok Park, um pós-doutorado no laboratório de Wang e um dos principais autores do estudo. Muitos medicamentos foram retirados do mercado após a descoberta de que tinham efeitos tóxicos no coração ou no fígado, por exemplo. Essa plataforma deve permitir que os pesquisadores testem de forma abrangente a toxicidade de órgãos e outros efeitos colaterais nas fases iniciais da descoberta de medicamentos.

O chip experimental pode ser útil para outras aplicações, incluindo medicina personalizada - por exemplo, testar células cancerosas de um determinado paciente. "A variação de paciente para paciente é enorme, mesmo com o mesmo tipo de droga, "disse Wang. A matriz de interface celular poderia ser usada para ver qual combinação de drogas existentes daria a melhor resposta e para encontrar a dose ideal que é mais eficaz com o mínimo de toxicidade para células saudáveis.

O chip é capaz tanto de atuação quanto de detecção. No futuro, Wang disse que os dados do celular do chip podem ser carregados e processados, e com base nisso, comandos para nova atuação ou aquisição de dados podem ser enviados para o chip automaticamente e sem fio. Ele imagina quartos e salas contendo câmaras de cultura com milhões desses chips em instalações totalmente automatizadas, "apenas fazendo automaticamente a seleção de novos medicamentos para nós, " ele disse.

Além desses aplicativos, Wang observou o valor científico da própria pesquisa. Circuitos integrados e nanoeletrônica são algumas das plataformas de tecnologia mais sofisticadas criadas por humanos. Células vivas, por outro lado, são produtos complexos produzidos por bilhões de anos de seleção natural e evolução.

“O tema central de nossa pesquisa é como podemos alavancar a melhor plataforma criada pela natureza com a melhor plataforma criada por humanos, ", disse ele." Podemos deixá-los trabalhar juntos para criar sistemas híbridos que alcancem recursos além da biologia apenas ou sistemas eletrônicos apenas? A questão científica fundamental que estamos abordando é como podemos permitir que a eletrônica inorgânica faça uma interface melhor com as células vivas orgânicas. "