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Un migliore test di tossicità per i farmaci
Un nuovo metodo per rilevare lievi cambiamenti nella struttura delle cellule epatiche, basato sul modo in cui diffondono la luce, potrebbe fornire un modo più rapido ed efficiente per testare la tossicità dei farmaci e gli effetti dannosi degli inquinanti ambientali.
Le cellule del fegato di ratto poste su un chip di silicio poroso si illuminano (b) mentre muoiono a causa di una dose tossica di acetaminofene (Tylenol). (Per gentile concessione di Sara Alvarez, Austin Derfus e Michael Schwartz, UCSD.)
La tossicità epatica è la ragione più comune per i produttori di ritirare i farmaci e per la Food and Drug Administration per rifiutare l'approvazione di nuovi farmaci. Infatti, un terzo di tutti i farmaci fallisce negli studi clinici a causa di tale tossicità. Inoltre, gli attuali test di tossicità in vitro sono noiosi e complicati, perché i ricercatori devono esaminare periodicamente le cellule al microscopio o inserire geneticamente un colorante fluorescente nelle cellule. Inoltre, i test esistenti utilizzano spesso sostanze chimiche che uccidono le cellule, quindi i ricercatori devono utilizzare un numero di colture cellulari diverse durante uno studio, il che influisce sul risultato.
Il nuovo dispositivo è stato sviluppato da Michele Marinaio , professore presso il dipartimento di chimica e biochimica dell'Università della California, San Diego, e Sangeeta Bhatia, professore associato presso il dipartimento di scienze e tecnologia della salute e il dipartimento di ingegneria elettrica e informatica del MIT. Si compone di un silicio poroso chip su cui le cellule possono vivere per giorni e un rilevatore di dispositivi ad accoppiamento di carica economico come quelli che si trovano nelle fotocamere digitali. Può monitorare continuamente le cellule viventi e indicare prima dei test attuali se un composto sta danneggiando le cellule, in base a quanta luce riflettono ( estratto di carta ).
I ricercatori creano il substrato poroso posizionando i chip di silicio nell'acido fluoridrico e facendo passare una corrente elettrica attraverso la soluzione. Questo forma pozzi cilindrici di poche centinaia di nanometri di diametro sulla superficie. I minuscoli pozzetti fanno sì che il silicio poroso rifletta la luce a una frequenza acuta, una proprietà ben nota che non si vede nel silicio normale. I ricercatori possono ingegnerizzare i pori per controllare la frequenza.
Successivamente, i ricercatori coprono il chip con polistirene per creare una superficie simile a una capsula di Petri. Quando le cellule vengono posizionate sulla superficie, diffondono la luce riflessa, diminuendo l'intensità della luce che cade sul rivelatore. Quando le cellule appassiscono o muoiono, la loro struttura cambia, il che aumenta l'intensità della luce al rivelatore. Le celle si illuminano come piccoli fari quando muoiono, dice Sailor.
In laboratorio, i ricercatori hanno posizionato cellule di fegato di ratto sul chip e le hanno trattate con dosi tossiche di cadmio e acetaminofene antidolorifico. Hanno scoperto che il sensore ha rilevato cambiamenti nelle cellule almeno due ore prima dei test convenzionali. Hanno in programma di testare presto il dispositivo con cellule epatiche umane.
Altri sono impressionati da quanto presto il dispositivo sembri rilevare la tossicità nelle cellule. Quando alcuni metodi tradizionali non darebbero ancora una lettura, questo metodo mostra già l'effetto tossico, afferma Erkki Ruoslahti, che studia biologia cellulare e cancro al Burnham Institute for Medical Research di La Jolla, in California. Ciò può fornire una risposta rapida e ad alto rendimento in un tempo più breve e con molto meno sforzo.
Sailor afferma che la semplice tecnica potrebbe far risparmiare tempo e denaro alle aziende farmaceutiche perché potrebbero eliminare i composti tossici nelle prime fasi del processo di test antidroga. È uno strumento per accelerare il processo di scoperta di farmaci, dice, aggiungendo che aumenterebbe i test cellulari attuali.
In questo momento, gli scienziati esaminano nuovi farmaci prima degli studi sull'uomo con test in vitro su cellule epatiche di ratto. In questi test, introducono il farmaco in cellule epatiche cresciute in piastre di Petri poste in incubatrici. A intervalli di tempo regolari, devono analizzare le cellule al microscopio, per scoprire quante cellule sono morte. Per fare ciò, devono aggiungere sostanze chimiche che modificano o uccidono le cellule rimanenti. Inoltre, ogni esperimento necessita di centinaia di capsule Petri e colture cellulari, che si aggiungono al costo. Preferiresti effettuare misurazioni in tempo reale e, invece di estrarre un piatto ogni mezz'ora, avere qualcosa che monitora le cellule nell'incubatrice, dice Sailor.
Jonathan Dordick, professore nel dipartimento di ingegneria chimica e biologica presso il Rennselaer Polytechnic Institute, afferma che il grande vantaggio della tecnica è che può monitorare l'effetto graduale di una tossina sulle cellule. Questo è utile perché molti composti non sono immediatamente tossici, dice. Permette, suggerisce, un modo semplice per seguire la salute dello stesso gruppo di cellule nel tempo senza alterarle o ucciderle.
Inoltre, Sailor afferma che il nuovo dispositivo potrebbe consentire più esperimenti contemporaneamente. Un chip di silicio poroso delle dimensioni di un quarto potrebbe contenere fino a 10.000 diversi siti di test, ciascuno realizzato per riflettere la luce a una frequenza specifica. Si potrebbero quindi mettere piccoli gruppi di cellule sui siti e testare l'effetto tossico di varie concentrazioni di tossine o combinazioni di farmaci.
Il team ha un accordo di ricerca con l'Hitachi Chemical Research Center di Irvine, in California, che tenterà di commercializzare la tecnologia.