Recientemente, investigadores de la Universidad de Chiba desarrollaron un método no invasivo que combina tomografía de impedancia eléctrica y activación de voltaje extracelular para evaluar los efectos de los fármacos en los canales iónicos. El sensor de placa de circuito impreso resultante permite monitorear en tiempo real cómo los fármacos recientemente desarrollados pueden afectar el flujo de iones en el canal, proporcionando una alternativa rentable y precisa a los métodos tradicionales, como las técnicas de patch-clamp, y allanando el camino hacia métodos más eficientes y más cortos. pruebas preclínicas. En el proceso de descubrimiento de fármacos.
Al desarrollar nuevos medicamentos, es importante comprender sus efectos sobre los canales iónicos del cuerpo, como el canal iónico del gen humano relacionado con el éter-a-go-go (HERG) que se encuentra en las neuronas y las células del músculo cardíaco. El bloqueo de los canales hERG puede alterar el ritmo normal del corazón, provocando una afección potencialmente mortal conocida como torsade de pointes. Los métodos actuales para evaluar estos efectos suelen implicar métodos invasivos como técnicas de parche o microscopía de fluorescencia. Estos métodos cambian las propiedades de las células y pueden afectar la precisión de las mediciones, lo que requiere equipos y experiencia especializados, lo que aumenta el costo y la complejidad.
Para abordar estos desafíos, investigadores dirigidos por el profesor asistente Daisuke Kawashima de la Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba han propuesto un método novedoso y no invasivo para la evaluación en tiempo real de los efectos de los fármacos en los canales hERG. Desarrollaron un sensor de placa de circuito impreso (PCB) integrando la tomografía de impedancia eléctrica (EIT) con la activación de voltaje extracelular (EVA). La EIT mide los cambios de impedancia debido al movimiento de iones y proporciona información espacial sobre la distribución de iones extracelulares. EVA aplica voltaje externo controlado para inducir cambios en la actividad del canal iónico. Este enfoque integrado permite a los investigadores activar de forma no invasiva los canales hERG y monitorear los cambios en el flujo de iones en tiempo real en respuesta a la exposición al fármaco.
La investigación se publica en la revista.Laboratorio en un chip el 23 de mayo de 2024. Incluyó contribuciones del Profesor Asistente Songshi Li y el Profesor Masahiro Takei, Escuela de Graduados en Ingeniería de la Universidad de Chiba, el Profesor Asociado Satoshi Ogasawara y el Profesor Takeshi Murata, Escuela de Graduados en Ciencias de la Universidad de Chiba.
“Se espera que esta técnica de imágenes sirva como una nueva plataforma tecnológica de medición y evaluación para el descubrimiento médico y de fármacos”, afirmó el Dr. Kawashima.
El sensor de PCB EIT-EVA está fabricado con fibra de vidrio epoxi no conductora (FR-4 TG130) y mide 100 mm × 70 mm × 1,6 mm. Dispone de 16 electrodos para medición de EIT dispuestos alrededor de un electrodo de activación central para activación de EVA. Así es como funciona: las células bajo investigación se colocan en el sensor para detectar los efectos de los fármacos en los canales iónicos. Se aplica un voltaje escalonado al electrodo de activación, que cambia la distribución potencial del medio extracelular que rodea la célula. Este cambio afecta el potencial de la membrana celular, activando canales iónicos dependientes de voltaje, como los canales hERG. Cuando estos canales se abren, los iones de potasio salen de la célula, lo que cambia la resistencia exterior, que se mide mediante el sistema EIT.
Luego se controlan los efectos de los fármacos sobre los canales iónicos mediante la monitorización de los cambios en la conductancia extracelular. Si los medicamentos no bloquean los canales hERG, la concentración de iones de potasio fuera de la célula aumenta rápidamente. Sin embargo, si el fármaco bloquea los canales, este crecimiento se ralentiza. El sistema calcula un índice de relación de obstáculos (Y) al medir qué tan rápido cambia la concentración de iones extracelulares con el tiempo, muestra cuánto inhibe el fármaco los canales hERG.
Para probar su método, los investigadores expusieron suspensiones de células HEK 293 modificadas genéticamente con canales hERG al fármaco antiarrítmico E-4031 en diversas concentraciones (0 nM, 1 nM, 3 nM, 10 nM, 30 nM y 100 nM). Después de mezclar el fármaco y la suspensión celular en el sensor usando una micropipeta, realizaron mediciones iniciales de EIT durante 20 segundos para establecer una línea base para el movimiento de iones. Posteriormente, alternaron ciclos de 20 segundos de activación de EVA y mediciones de EIT.
Cuando EVA activó los canales hERG, la resistencia externa disminuyó en comparación con el valor inicial (debido al aumento de la concentración de iones potasio). Sin embargo, a medida que la concentración de E-4031 aumentó y bloqueó los canales hERG, menos iones de potasio se movieron de la región intracelular a la región extracelular, lo que resultó en una lenta disminución de la resistencia.
de Y curva de respuesta, los investigadores encontraron que la concentración inhibidora media máxima, o concentración del fármaco requerida para inhibir la función del canal hERG en un 50%, era 2,7 nM. Este valor muestra una fuerte correlación (Y2 = 0,85) con resultados obtenidos del método establecido de parche-clamp, lo que indica una estrecha concordancia entre las dos técnicas. En comparación con los métodos tradicionales de detección del canal hERG, el método propuesto no es invasivo, tiene un tiempo de respuesta rápido y no requiere capacitación especial. “Esto podría conducir a pruebas preclínicas más eficientes y más cortas en el proceso de descubrimiento de fármacos”, concluyó el Dr. Kawashima.