Trouver des moyens d'améliorer le processus de développement de médicaments - qui est actuellement coûteux, prend du temps et a un taux d'échec astronomiquement élevé - pourrait avoir des avantages considérables pour les soins de santé et l'économie. Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont conçu un réseau d'interfaçage cellulaire utilisant une électronique à faible coût qui mesure de multiples propriétés et réponses cellulaires en temps réel. Cela pourrait permettre à beaucoup plus de médicaments potentiels d'être testés de manière exhaustive pour leur efficacité et leurs effets toxiques beaucoup plus rapidement. C'est pourquoi Hua Wang, professeur agrégé à la School of Electrical and Computer Engineering de Georgia Tech, le décrit comme « nous aidant à trouver l'aiguille dorée dans la botte de foin ».

Les entreprises pharmaceutiques utilisent des tests cellulaires, une combinaison de cellules vivantes et d'électronique de capteur, pour mesurer les changements physiologiques dans les cellules. Ces données sont utilisées pour le criblage à haut débit (HTS) lors de la découverte de médicaments. Dans cette première phase de développement du médicament, l'objectif est d'identifier des voies cibles et des composés chimiques prometteurs qui pourraient être développés davantage – et d'éliminer ceux qui sont inefficaces ou toxiques – en mesurant les réponses physiologiques des cellules à chaque composé.

Tests phénotypiques de milliers de composés candidats, avec la majorité « échouant tôt, " ne permet que les plus prometteurs d'être développés en médicaments et peut-être éventuellement de subir des essais cliniques, où l'échec médicamenteux est beaucoup plus coûteux. Mais la plupart des tests cellulaires existants utilisent des capteurs électroniques qui ne peuvent mesurer qu'une seule propriété physiologique à la fois et ne peuvent pas obtenir de réponses cellulaires holistiques.

C'est là qu'intervient la nouvelle plate-forme de détection cellulaire. "L'innovation de notre technologie est que nous sommes en mesure de tirer parti des avancées des technologies nano-électroniques pour créer des plates-formes d'interfaçage cellulaire avec des pixels massivement parallèles, " a déclaré Wang. " Et dans chaque pixel, nous pouvons détecter plusieurs paramètres physiologiques du même groupe de cellules en même temps. " La puce expérimentale à quatre modalités dispose d'un enregistrement de potentiel extracellulaire ou intracellulaire, détection optique, mesure d'impédance cellulaire, et la stimulation par courant biphasique.

Wang a déclaré que la nouvelle technologie offre quatre avantages par rapport aux plates-formes existantes :

• Détection multimodale :la capacité de la puce à enregistrer plusieurs paramètres sur le même échantillon cellulaire donne aux chercheurs la possibilité de surveiller de manière exhaustive les réponses cellulaires complexes, découvrir les corrélations entre ces paramètres et étudier comment ils peuvent réagir ensemble lorsqu'ils sont exposés à des médicaments. "Les cellules vivantes sont des systèmes petits mais très complexes. L'administration de médicaments entraîne souvent de multiples changements physiologiques, mais cela ne peut pas être détecté en utilisant la détection monomodale conventionnelle, " dit Wang.
• Grand champ de vision :la plate-forme permet aux chercheurs d'examiner le comportement des cellules dans un grand agrégat pour voir comment elles réagissent collectivement au niveau des tissus.
• Petite résolution spatiale :les chercheurs peuvent non seulement examiner les cellules au niveau des tissus, ils pourraient également les examiner à une résolution unicellulaire ou même subcellulaire.
• Plate-forme à faible coût :la nouvelle plate-forme de réseau est construite sur des technologies standard de semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS), qui est également utilisé pour construire des puces informatiques, et peut être facilement mis à l'échelle pour la production de masse.

L'équipe de Wang a travaillé en étroite collaboration avec Hee Cheol Cho, professeur agrégé et boursier Urowsky-Sahr en bio-ingénierie pédiatrique, dont le laboratoire de régénération cardiaque fait partie du département de génie biomédical Wallace Coulter de Georgia Tech et de l'Université Emory. Ils ont utilisé des myocytes ventriculaires et des fibroblastes cardiaques de rats nouveau-nés pour illustrer la capacité de profilage cellulaire multiparamétrique de la puce pour le criblage de médicaments. Les résultats récents ont été publiés dans le journal de la Royal Society of Chemistry Laboratoire sur puce le 31 août 2018.

Le suivi des réponses cellulaires dans des domaines multi-physiques et le profilage cellulaire multiparamétrique holistique devraient également s'avérer bénéfiques pour le criblage de composés chimiques qui pourraient avoir des effets néfastes sur certains organes, dit Jong Seok Park, un boursier post-doctoral dans le laboratoire de Wang et un auteur principal de l'étude. De nombreux médicaments ont été retirés du marché après avoir découvert qu'ils avaient des effets toxiques sur le cœur ou le foie, par exemple. Cette plate-forme devrait permettre aux chercheurs de tester de manière exhaustive la toxicité des organes et d'autres effets secondaires lors des phases initiales de la découverte de médicaments.

La puce expérimentale peut être utile pour d'autres applications, y compris la médecine personnalisée - par exemple, tester les cellules cancéreuses d'un patient particulier. "La variation de patient à patient est énorme, même avec le même type de médicament, ", a déclaré Wang. La matrice d'interface cellulaire pourrait être utilisée pour voir quelle combinaison de médicaments existants donnerait la meilleure réponse et pour trouver la dose optimale la plus efficace avec une toxicité minimale pour les cellules saines.

La puce est capable d'actionnement ainsi que de détection. À l'avenir, Wang a déclaré que les données cellulaires de la puce pouvaient être téléchargées et traitées, et sur cette base, des commandes pour un nouvel actionnement ou une acquisition de données pourraient être envoyées à la puce automatiquement et sans fil. Il envisage des salles et des salles contenant des chambres de culture avec des millions de telles puces dans des installations entièrement automatisées, "Faire automatiquement la sélection de nouveaux médicaments pour nous, " il a dit.

Au-delà de ces applications, Wang a noté la valeur scientifique de la recherche elle-même. Les circuits intégrés et la nanoélectronique font partie des plates-formes technologiques les plus sophistiquées créées par l'homme. Cellules vivantes, d'autre part, sont des produits complexes issus de milliards d'années de sélection naturelle et d'évolution.

"Le thème central de notre recherche est de savoir comment nous pouvons tirer parti de la meilleure plate-forme créée par la nature avec la meilleure plate-forme créée par l'homme, " a-t-il dit. " Pouvons-nous les laisser travailler ensemble pour créer des systèmes hybrides qui atteignent des capacités au-delà de la biologie uniquement ou des systèmes uniquement électroniques ? La question scientifique fondamentale que nous abordons est de savoir comment nous pouvons permettre à l'électronique inorganique de mieux s'interfacer avec les cellules vivantes organiques. »