En bedre toksicitetstest for stoffer

En ny metode til at registrere små ændringer i levercellers struktur, baseret på den måde, de spreder lys på, kunne give en hurtigere og mere effektiv måde at teste lægemidlers toksicitet og de skadelige virkninger af miljøforurenende stoffer.

Rotteleverceller placeret på en porøs siliciumchip lyser op (b), da de dør af en giftig dosis acetaminophen (Tylenol). (Med tilladelse fra Sara Alvarez, Austin Derfus og Michael Schwartz, UCSD.)

Levertoksicitet er den mest almindelige årsag til, at producenter trækker medicin tilbage, og at Food and Drug Administration nægter at godkende nye lægemidler. Faktisk mislykkes en tredjedel af alle lægemidler i kliniske forsøg på grund af en sådan toksicitet. Hvad mere er, de nuværende in vitro-toksicitetstests er kedelige og komplicerede, fordi forskere med jævne mellemrum skal se på cellerne under et mikroskop eller indsætte et fluorescerende farvestof i cellerne genetisk. Desuden bruger eksisterende tests ofte kemikalier, der dræber cellerne, så forskerne skal bruge en række forskellige cellekulturer under en undersøgelse, hvilket påvirker resultatet.

Den nye enhed er udviklet af Michael Sømand , professor i afdelingen for kemi og biokemi ved University of California, San Diego, og Sangeeta Bhatia, lektor i afdelingen for sundhedsvidenskab og teknologi og afdelingen for elektroteknik og datalogi ved MIT. Den består af en porøst silicium chip, hvorpå celler kan leve i dagevis, og en billig opladet-koblet-enhedsdetektor som dem, der findes i digitale kameraer. Det kan kontinuerligt overvåge levende celler og tidligere end nuværende tests indikere, om en forbindelse skader cellerne, baseret på hvor meget lys de reflekterer ( papir abstrakt ).

Forskerne skaber det porøse substrat ved at placere siliciumchips i flussyre og føre en elektrisk strøm gennem opløsningen. Dette danner cylindriske brønde på et par hundrede nanometer i diameter på overfladen. De bittesmå brønde får det porøse silicium til at reflektere lys med en skarp frekvens, en velkendt egenskab, der ikke ses i almindeligt silicium. Forskerne kan konstruere porerne for at kontrollere frekvensen.

Dernæst dækker forskerne chippen med polystyren for at lave en overflade, der ligner en petriskål. Når celler placeres på overfladen, spreder de det reflekterede lys, hvilket mindsker intensiteten af ​​lys, der falder på detektoren. Når cellerne visner eller dør, ændres deres struktur, hvilket øger lysintensiteten ved detektoren. Cellerne lyser op som små fyrtårne, når de dør, siger Sailor.

I laboratoriet placerede forskerne rotteleverceller på chippen og behandlede dem med giftige doser af cadmium og det smertestillende middel paracetamol. De fandt ud af, at sensoren opdagede ændringer i cellerne mindst to timer før konventionelle tests. De planlægger snart at teste enheden med menneskelige leverceller.

Andre er imponerede over, hvor tidligt enheden ser ud til at opdage toksicitet i cellerne. Når nogle traditionelle måder ikke ville give en læsning endnu, viser denne metode allerede den toksiske effekt, siger Erkki Ruoslahti, der studerer cellebiologi og cancer ved Burnham Institute for Medical Research i La Jolla, CA. Dette kan give et hurtigt svar med høj gennemstrømning på kortere tid og med meget mindre indsats.

Sailor siger, at den simple teknik kunne spare medicinalvirksomheder tid og penge, fordi de kunne fjerne giftige stoffer tidligt i lægemiddeltestprocessen. Det er et værktøj til at fremskynde processen med opdagelse af lægemidler, siger han og tilføjer, at det ville øge de nuværende cellulære tests.

Lige nu screener forskere nye lægemidler før forsøg med mennesker med in vitro-tests på rotteleverceller. I disse test introducerer de lægemidlet i leverceller dyrket i petriskåle placeret i inkubatorer. Med jævne mellemrum skal de analysere cellerne under mikroskoper, for at finde ud af, hvor mange celler der er døde. For at gøre det skal de tilføje kemikalier, der enten modificerer eller dræber de resterende celler. Desuden har hvert eksperiment brug for hundredvis af petriskåle og cellekulturer, hvilket øger omkostningerne. Du vil hellere lave målinger i realtid, og i stedet for at trække et fad ud hver halve time, skal du have noget, der overvåger celler i inkubatoren, siger Sailor.

Jonathan Dordick, professor i afdelingen for kemisk og biologisk teknik ved Rennselaer Polytechnic Institute, siger, at teknikkens store fordel er, at den kan overvåge et giftstofs gradvise virkning på celler. Dette er nyttigt, fordi mange forbindelser ikke umiddelbart er giftige, siger han. Det giver, foreslår han, en enkel måde at følge sundheden for den samme gruppe af celler over tid uden at ændre eller dræbe dem.

Desuden siger Sailor, at den nye enhed kunne tillade flere eksperimenter samtidigt. En porøs siliciumchip af kvart størrelse kan indeholde op til 10.000 forskellige teststeder, der hver er lavet til at reflektere lys ved en bestemt frekvens. Man kunne derefter sætte små bundter af celler på stederne og teste den toksiske virkning af forskellige toksinkoncentrationer eller lægemiddelkombinationer.

Holdet har en forskningsaftale med Hitachi Chemical Research Center i Irvine, CA, som vil forsøge at kommercialisere teknologien.

skjule