Les chercheurs ont développé une « membrane sur une puce '' de cellules humaines qui permet une surveillance continue de la façon dont les médicaments et les agents infectieux interagissent avec nos cellules, et pourrait bientôt être utilisé pour tester des candidats-médicaments potentiels pour COVID-19.
Les chercheurs de l'Université de Cambridge, de l'Université Cornell et de l'Université de Stanford, affirment que leur appareil pourrait imiter n'importe quel type de cellule – bactérienne, humaine ou même les parois cellulaires coriaces des plantes.
Leurs recherches ont récemment tourné autour de la façon dont le COVID-19 attaque les membranes des cellules humaines et, plus important encore, comment il peut être bloqué.
Les dispositifs ont été formés sur des puces tout en préservant l'orientation et la fonctionnalité de la membrane cellulaire et ont été utilisés avec succès pour surveiller l'activité des canaux ioniques, une classe de protéines dans les cellules humaines qui sont la cible de plus de 60% des produits pharmaceutiques approuvés.
Les résultats sont publiés dans deux articles récents dans Langmuir et ACS Nano.
Les membranes cellulaires jouent un rôle central dans la signalisation biologique, contrôlant tout, du soulagement de la douleur à l'infection par un virus, agissant comme le portier entre une cellule et le monde extérieur.
L'équipe a décidé de créer un capteur qui préserve tous les aspects critiques d'une membrane cellulaire – structure, fluidité et contrôle du mouvement des ions – sans les étapes fastidieuses nécessaires pour maintenir une cellule en vie.
L'appareil utilise une puce électronique pour mesurer tout changement dans une membrane sus-jacente extraite d'une cellule, permettant aux scientifiques de comprendre facilement et en toute sécurité comment la cellule interagit avec le monde extérieur.
Le dispositif intègre des membranes cellulaires avec des électrodes et des transistors en polymère conducteur.
Pour générer les membranes sur puce, l'équipe Cornell a d'abord optimisé un processus de production de membranes à partir de cellules vivantes, puis, en collaboration avec l'équipe de Cambridge, les a cajolées sur des électrodes polymères de manière à préserver toutes leurs fonctionnalités.
Les polymères conducteurs hydratés fournissent un environnement plus «naturel» pour les membranes cellulaires et permettent une surveillance robuste du fonctionnement des membranes.
L'équipe de Stanford a optimisé les électrodes polymères pour surveiller les changements dans les membranes. L'appareil ne repose plus sur des cellules vivantes qui sont souvent techniquement difficiles à maintenir en vie et nécessitent une attention particulière, et les mesures peuvent durer sur une longue période.
Parce que les membranes sont produites à partir de cellules humaines, c'est comme avoir une biopsie de la surface de cette cellule – nous avons tout le matériel qui serait présent, y compris des protéines et des lipides, mais aucun des défis liés à l'utilisation de cellules vivantes. «
Susan Daniel, auteur principal de l'étude et professeur agrégé, Département de génie chimique et biomoléculaire, Université de Cornell
« Ce type de dépistage est généralement effectué par l'industrie pharmaceutique avec des cellules vivantes, mais notre appareil offre une alternative plus facile », a déclaré le Dr Róisín Owens du Département de génie chimique et de biotechnologie de Cambridge, et auteur principal du ACS Nano papier.
« Cette méthode est compatible avec le criblage à haut débit et réduirait le nombre de faux positifs entrant dans le pipeline de R&D. »
« L'appareil peut être aussi petit que la taille d'une cellule humaine et facilement fabriqué en réseaux, ce qui nous permet d'effectuer plusieurs mesures en même temps », a déclaré le Dr Anna-Maria Pappa, également de Cambridge et co-premier auteur des deux articles. .
À ce jour, l'objectif de la recherche, soutenu par un financement de la United States Defence Research Projects Agency (DARPA), a été de démontrer comment des virus tels que la grippe interagissent avec les cellules.
Maintenant, la DARPA a fourni des fonds supplémentaires pour tester l'efficacité de l'appareil dans le dépistage des candidats médicaments potentiels pour COVID-19 d'une manière sûre et efficace.
Étant donné les risques importants encourus par les chercheurs travaillant sur le SRAS-CoV-2, le virus qui cause le COVID-19, les scientifiques du projet se concentreront sur la fabrication de membranes virales et la fusion de celles-ci avec les puces.
Les membranes virales sont identiques à la membrane SARS-CoV-2 mais ne contiennent pas d'acide nucléique viral.
De cette façon, de nouveaux médicaments ou anticorps pour neutraliser les pics de virus utilisés pour pénétrer dans la cellule hôte peuvent être identifiés. Ces travaux devraient débuter le 1er août.
« Avec cet appareil, nous ne sommes pas exposés à des environnements de travail à risque pour lutter contre le SRAS-CoV-2. L'appareil accélérera le dépistage des candidats-médicaments et fournira des réponses aux questions sur le fonctionnement de ce virus », a déclaré le Dr Han-Yuan Liu, Chercheur Cornell et premier auteur conjoint sur les deux articles.
Les travaux futurs se concentreront sur l'augmentation de la production des dispositifs à Stanford et l'automatisation de l'intégration des membranes avec les puces, tirant parti de l'expertise en fluidique de Stanford PI Juan Santiago qui rejoindra l'équipe en août.
« Ce projet a fusionné des idées et des concepts de laboratoires au Royaume-Uni, en Californie et à New York, et a montré un appareil qui fonctionne de manière reproductible sur les trois sites.
C'est un excellent exemple du pouvoir de l'intégration de la biologie et de la science des matériaux pour résoudre les problèmes mondiaux « , a déclaré Alberto Salleo, professeur principal à Stanford.
La source:
Référence de la revue:
Liu, H. -Y., et al (2020) Auto-assemblage de membranes de cellules de mammifères sur des dispositifs bioélectroniques avec des protéines transmembranaires fonctionnelles. ACS Langmuir. doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c00804.
