«Мембрана на чипе» ускорит поиск препаратов против COVID-19
Исследователи создали устройство «мембрана человеческой клетки на чипе», которое позволяет непрерывно отслеживать взаимодействие лекарств и инфекционных агентов с клетками. Вскоре его могут использовать для тестирования потенциальных препаратов против COVID-19.
Устройство, разработанное учёными из Кембриджского университета, Корнеллского университета и Стэнфордского университета, может имитировать клетки любого типа — бактериальные, человеческие или даже жёсткие клеточные стенки растений. Исследователи переориентировали работу на изучение того, как COVID-19 атакует мембраны человеческих клеток и, что важнее, как этот процесс можно блокировать.
Мембраны, сохранённые на чипах с правильной ориентацией и функциональностью, уже успешно использовали для мониторинга активности ионных каналов — класса белков в человеческих клетках, на которые нацелены более 60% одобренных лекарств. Результаты опубликованы в двух статьях в журналах Langmuir и ACS Nano.
Команда создала сенсор, который сохраняет все ключевые аспекты клеточной мембраны — структуру, текучесть и контроль над движением ионов, — но не требует трудоёмкого поддержания клетки в живом состоянии.
Устройство использует электронный чип для измерения изменений в нанесённой на него мембране, извлечённой из клетки. Это позволяет безопасно и легко изучать взаимодействие клетки с внешним миром.
Устройство интегрирует клеточные мембраны с проводящими полимерными электродами и транзисторами. Команда из Корнелла оптимизировала процесс получения мембран из живых клеток, а затем вместе с кембриджской группой нанесла их на полимерные электроды с сохранением всей функциональности. Гидратированные проводящие полимеры создают более «естественную» среду для мембран и обеспечивают надёжный мониторинг их функций. Группа из Стэнфорда оптимизировала полимерные электроды для отслеживания изменений в мембранах.
«Поскольку мембраны производятся из человеческих клеток, это как биопсия поверхности клетки — у нас есть все необходимые материалы, включая белки и липиды, но без сложностей работы с живыми клетками», — говорит доктор Сьюзан Дэниел из Корнелла, старший автор статьи в Langmuir.
«Такое тестирование обычно проводят в фармацевтической промышленности на живых клетках, но наше устройство предлагает более простую альтернативу, — отмечает доктор Ройшин Оуэнс из Кембриджа, старший автор статьи в ACS Nano. — Этот метод совместим с высокопроизводительным скринингом и сократит число ложноположительных результатов на этапе исследований и разработок».
«Устройство может быть размером с человеческую клетку и легко изготавливаться в виде массивов, что позволяет проводить множество измерений одновременно», — добавляет доктор Анна-Мария Паппа из Кембриджа, соавтор обеих статей.
До сих пор исследование, поддержанное Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA), было направлено на демонстрацию взаимодействия вирусов (например, гриппа) с клетками. Теперь DARPA выделило дополнительное финансирование для тестирования эффективности устройства в безопасном скрининге потенциальных препаратов против COVID-19.
Учитывая высокие риски для исследователей, работающих с SARS-CoV-2, учёные сосредоточатся на создании вирусных мембран и их слиянии с чипами. Эти мембраны идентичны мембране SARS-CoV-2, но не содержат вирусной нуклеиновой кислоты. Таким образом можно будет идентифицировать новые лекарства или антитела для нейтрализации шиповидных белков вируса, которые он использует для проникновения в клетку-хозяина. Эта работа должна начаться 1 августа.
«С этим устройством мы не подвергаемся риску работы с SARS-CoV-2. Оно ускорит скрининг кандидатов в препараты и даст ответы на вопросы о работе этого вируса», — говорит доктор Хань-Юань Лю, исследователь из Корнелла и соавтор обеих статей.
В будущем работа будет сосредоточена на масштабировании производства устройств в Стэнфорде и автоматизации интеграции мембран с чипами с использованием экспертизы в области микрофлюидики от профессора Хуана Сантьяго, который присоединится к команде в августе.
«Этот проект объединил идеи и концепции из лабораторий в Великобритании, Калифорнии и Нью-Йорке и показал устройство, которое воспроизводимо работает во всех трёх местах. Это отличный пример силы интеграции биологии и материаловедения для решения глобальных проблем», — заключает ведущий исследователь из Стэнфорда профессор Альберто Саллео.