Ein besserer Toxizitätstest für Drogen

Eine neue Methode zur Erkennung geringfügiger Veränderungen in der Struktur von Leberzellen basierend auf der Art und Weise, wie sie Licht streuen, könnte eine schnellere und effizientere Möglichkeit bieten, die Toxizität von Medikamenten und die schädlichen Auswirkungen von Umweltschadstoffen zu testen.

Auf einem porösen Siliziumchip platzierte Rattenleberzellen leuchten (b), wenn sie an einer toxischen Dosis Paracetamol (Tylenol) sterben. (Mit freundlicher Genehmigung von Sara Alvarez, Austin Derfus und Michael Schwartz, UCSD.)

Lebertoxizität ist der häufigste Grund für Hersteller, Medikamente zurückzuziehen, und für die Food and Drug Administration, die Zulassung neuer Medikamente zu verweigern. Tatsächlich scheitern ein Drittel aller Medikamente aufgrund einer solchen Toxizität in klinischen Studien. Zudem sind aktuelle In-vitro-Toxizitätstests langwierig und kompliziert, weil Forscher die Zellen regelmäßig unter dem Mikroskop betrachten oder genetisch einen Fluoreszenzfarbstoff in die Zellen einbringen müssen. Darüber hinaus werden in bestehenden Tests häufig Chemikalien verwendet, die die Zellen abtöten, sodass Forscher während einer Studie mehrere verschiedene Zellkulturen verwenden müssen, was das Ergebnis beeinflusst.



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Das neue Gerät wurde entwickelt von Michael Seemann , Professor am Fachbereich Chemie und Biochemie der University of California, San Diego, und Sangeeta Bhatia, außerordentlicher Professor am Fachbereich Gesundheitswissenschaften und Technologie und am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik am MIT. Es besteht aus a poröses Silizium Chip, auf dem Zellen tagelang leben können, und ein kostengünstiger Detektor für ladungsgekoppelte Geräte, wie er in Digitalkameras zu finden ist. Es kann lebende Zellen kontinuierlich überwachen und früher als aktuelle Tests anzeigen, ob eine Verbindung die Zellen schädigt, basierend darauf, wie viel Licht sie reflektieren ( Papierzusammenfassung ).

Das poröse Substrat erzeugen die Forscher, indem sie Siliziumchips in Flusssäure einlegen und einen elektrischen Strom durch die Lösung leiten. Dadurch bilden sich an der Oberfläche zylindrische Vertiefungen mit einem Durchmesser von einigen hundert Nanometern. Die winzigen Vertiefungen sorgen dafür, dass das poröse Silizium Licht mit einer scharfen Frequenz reflektiert, eine bekannte Eigenschaft, die bei normalem Silizium nicht zu sehen ist. Die Forscher können die Poren so gestalten, dass sie die Frequenz steuern.

Als nächstes bedecken die Forscher den Chip mit Styropor, um eine Oberfläche ähnlich einer Petrischale herzustellen. Wenn Zellen auf der Oberfläche platziert werden, streuen sie das reflektierte Licht und verringern die Intensität des auf den Detektor fallenden Lichts. Wenn die Zellen welken oder sterben, ändert sich ihre Struktur, was die Lichtintensität am Detektor erhöht. Die Zellen leuchten wie kleine Leuchttürme, wenn sie sterben, sagt Sailor.

Im Labor platzierten die Forscher Rattenleberzellen auf dem Chip und behandelten sie mit giftigen Dosen Cadmium und dem Schmerzmittel Paracetamol. Sie fanden heraus, dass der Sensor Veränderungen in den Zellen mindestens zwei Stunden vor herkömmlichen Tests erkannte. Sie planen, das Gerät demnächst mit menschlichen Leberzellen zu testen.

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Andere sind beeindruckt, wie früh das Gerät Toxizität in den Zellen zu erkennen scheint. Wenn einige traditionelle Methoden noch keinen Messwert liefern würden, zeige diese Methode bereits die toxische Wirkung, sagt Erkki Ruoslahti, der Zellbiologie und Krebs am Burnham Institute for Medical Research in La Jolla, Kalifornien, studiert. Dies kann eine schnelle Antwort mit hohem Durchsatz in kürzerer Zeit und mit viel weniger Aufwand liefern.

Sailor sagt, dass die einfache Technik Pharmaunternehmen Zeit und Geld sparen könnte, da sie toxische Verbindungen früh im Drogentestprozess eliminieren könnten. Es sei ein Werkzeug, um den Prozess der Wirkstoffforschung zu beschleunigen, sagt er und fügt hinzu, dass es die aktuellen Zelltests ergänzen würde.

Derzeit testen Wissenschaftler neue Medikamente vor Studien am Menschen mit In-vitro-Tests an Rattenleberzellen. Bei diesen Tests führen sie das Medikament in Leberzellen ein, die in Petrischalen in Brutschränken gezüchtet werden. In regelmäßigen Abständen müssen sie die Zellen unter dem Mikroskop analysieren, um herauszufinden, wie viele Zellen tot sind. Dazu müssen sie Chemikalien hinzufügen, die die verbleibenden Zellen entweder modifizieren oder abtöten. Darüber hinaus benötigt jedes Experiment Hunderte von Petrischalen und Zellkulturen, was die Kosten erhöht. Sie würden lieber in Echtzeit Messungen durchführen und anstatt jede halbe Stunde eine Schüssel herauszuholen, haben Sie etwas, das die Zellen im Inkubator überwacht, sagt Sailor.

Jonathan Dordick, Professor an der Fakultät für Chemie- und Bioingenieurwesen am Rennselaer Polytechnic Institute, sagt, dass der große Vorteil der Technik darin besteht, dass sie die allmähliche Wirkung eines Toxins auf Zellen überwachen kann. Dies sei nützlich, da viele Verbindungen nicht sofort toxisch seien, sagt er. Es ermöglicht, wie er vorschlägt, eine einfache Möglichkeit, die Gesundheit derselben Gruppe von Zellen im Laufe der Zeit zu verfolgen, ohne sie zu verändern oder zu töten.

Darüber hinaus sagt Sailor, dass das neue Gerät mehrere Experimente gleichzeitig ermöglichen könnte. Ein viertelgroßer poröser Siliziumchip könnte bis zu 10.000 verschiedene Teststellen enthalten, von denen jede Licht mit einer bestimmten Frequenz reflektiert. Man könnte dann kleine Zellhaufen auf die Stellen legen und die toxische Wirkung verschiedener Toxinkonzentrationen oder Medikamentenkombinationen testen.

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Das Team hat eine Forschungsvereinbarung mit dem Hitachi Chemical Research Center in Irvine, CA, die versuchen wird, die Technologie zu kommerzialisieren.

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