Nanodroplets kunnen de zoektocht naar nieuwe geneeskunde versnellen

Tot nu toe was de vroege fase van het ontdekken van geneesmiddelen voor de ontwikkeling van nieuwe therapieën zowel kosten- als tijdintensief. Onderzoekers van Kit (Karlsruhe Institute of Technology) hebben nu een platform ontwikkeld waarop extreem geminiaturiseerde nanodropetten met een volume van slechts 200 nanoliter per druppel – vergelijkbaar met een korrel zand – en met slechts 300 cellen per test kunnen worden gerangschikt.

Dit platform stelt de onderzoekers in staat om duizenden therapeutische middelen op dezelfde chip te synthetiseren, te karakteriseren en te testen, waardoor tijd en middelen worden bespaard. Het onderzoek is gepubliceerd in het dagboek Angewandte Chemie.

Het ontdekken van geneesmiddelen voor nieuwe therapeutische middelen is momenteel gebaseerd op screenings met hoge doorvoer die afzonderlijke, resource-intensieve stappen omvatten voor de synthese, biologische testen en karakterisering van nieuwe actieve stoffen. Deze methode is over het algemeen alleen praktisch bij grote farmaceutische bedrijven, kost meerdere jaren van ontwikkeling, zorgt voor de kosten van honderden miljoenen euro’s en vereist een grote hoeveelheid grondstoffen.

“In het bijzonder zijn academische en kleinere industriële onderzoeksinstellingen niet in staat om deze middelen te mobiliseren”, zegt professor Pavel Levkin van Kit’s Institute of Biological and Chemical Systems (IBCS). “Onze technologie verwijdert deze barrière en kan de deur openen voor nog veel meer spelers om bij te dragen aan het ontdekken van drugs.”

1000 keer kleinere druppels in experimentele instellingen

Om de ontdekking van drugs voor kankertherapie te versnellen, ontwikkelden onderzoekers van de afdeling biofunctionele materialen onder leiding van Levkin het geïntegreerde nanodroplet array -platform. “Het combineert de eerder afzonderlijke processen voor de ontwikkeling van nieuwe anti-kanker medicijnen op een enkele chip-met een enkele, geminiaturiseerde workflow”, zegt Levkin.

De wetenschappers slaagden erin de experimenten met een factor van 1.000 af te schalen, dwz, van de microliter tot het nanoliterbereik. “Dankzij onze direct-to-biology-benadering, waarbij directe biologische tests van de gesynthetiseerde moleculen zonder voorafgaande voorbereiding worden uitgevoerd, kunnen we de tijd en bronnen die zijn geïnvesteerd in synthese en screening drastisch verminderen door slechts 200 nanoliter per druppel- en 300-cellen voor elke test te gebruiken-vergelijkbaar in volume tot een graan van zand,” Levend.

De onderzoekers synthetiseerden en testten verschillende potentiële MEK-remmers (mitogeen-geactiveerde eiwitkinaseremmers)-agenten die het MEK-enzym blokkeren, dat betrokken is bij de ontwikkeling van verschillende soorten kanker, zoals huid- en darmkanker.

Een bekende MEK-remmer, Mirdametinib, wordt al gebruikt voor de behandeling van zeldzame, onbruikbare tumoren. Op basis van zijn moleculaire structuur produceerde de onderzoeksgroep een bibliotheek met potentiële nieuwe MEK -remmers. “Met behulp van de nieuwe Nanodroplet -methode produceerden we in slechts zeven dagen 325 potentiële MEK -remmers – en ontdekten dat 46 van hen net zo goed werkte als mirdametinib in laboratoriumtests”, zegt Levkin.

Op cellen gebaseerde tests in miniatuurformaat

De onderzoekers onderzochten de activiteit van de nieuw geproduceerde moleculen met behulp van levende cellen. “In dit proces hebben we de levensvatbaarheid van de Cellon Cell Line HT-29 onderzocht, die kwetsbaar is voor MEK-remmers”, zegt Liana Bauer, doctoraatsonderzoeker bij de IBCS-FMS en hoofdauteur van de gepubliceerde studie.

Voor de karakterisering van de moleculen gebruikte het team de MALDI-MSI-methode (matrix-geassisteerde laserdesorptie/ionisatie-massaspectrometrie-beeldvorming). Met deze technologie kunnen de onderzoekers de chemische samenstelling van monsters analyseren en hun ruimtelijke verdeling visualiseren. De analyse werd uitgevoerd in samenwerking met een onderzoeksgroep onder leiding van professor Carsten Hopf van het Center for Mass Spectrometry and Optical Spectroscopy (CEMOS) bij TH Mannheim (Technical University of Applied Sciences).

Met de nieuwe array was het mogelijk om alle 325 producten in drievoud te analyseren, in totaal 975 enkele monsters, direct op de chip. “We hebben kunnen aantonen dat deze methode ook op een extreem kleine schaal werkt met nanodropletjes”, legt Bauer uit.

Door het combineren van molecuulsynthese, testen en analyse op een enkel platform, zou de nieuwe aanpak de ontdekking van high-throughput medicijnen toegankelijker kunnen maken voor academische laboratoria en kleinere biotechbedrijven. “Dit is een grote stap in de richting van snellere, goedkopere en efficiëntere ontdekking van dringend noodzakelijke nieuwe medicijnen”, zegt Levkin.