כאשר מפתחים תרופות חדשות, הבנת השפעותיהן על תעלות יונים בגוף, כגון תעלת יונים של ether-a-go-go-related gene (hERG) המצוי בתאי עצב ותאי שריר הלב, היא קריטית. חסימת ערוצי hERG עלולה לשבש את קצב הלב התקין, שעלול להוביל למצב קטלני המכונה torsade de pointes. השיטות הנוכחיות להערכת ההשפעות הללו כוללות בדרך כלל הליכים פולשניים כמו טכניקות מהדק טלאים או מיקרוסקופ פלואורסצנטי. שיטות אלו משנות את תכונות התא ועשויות להשפיע על דיוק המדידה, הדורשות ציוד ומומחיות מיוחדים, מה שמגדיל את העלות והמורכבות.
כדי להתמודד עם אתגרים אלה, חוקרים בראשות Daisuke Kawashima, עוזר פרופסור בבית הספר לתואר שני להנדסה באוניברסיטת צ'יבה, הציעו שיטה חדשנית, לא פולשנית להערכת בזמן אמת של השפעות התרופות על ערוצי hERG. הם פיתחו חיישן מעגלים מודפסים (PCB) המשלב טומוגרפיה עכבה חשמלית (EIT) עם הפעלת מתח חוץ-תאית (EVA). EIT מודד שינויים בעכבה הנגרמים על ידי תנועת יונים, ומציע מידע מרחבי על הפצת יונים חוץ-תאיים. EVA כרוכה בהפעלת מתחים חוץ-תאיים מבוקרים כדי לגרום לשינויים בפעילות תעלות היונים. גישה משולבת זו מאפשרת לחוקרים להפעיל באופן לא פולשני ערוצי hERG ולנטר שינויים בזמן אמת בזרימת יונים בתגובה לחשיפה לתרופות.
המחקר פורסם בכתב העת Lab on A Chip ב-23 במאי 2024. הוא כלל תרומות של פרופסור עוזר סונגשי לי ופרופסור Masahiro Takei מבית הספר לתואר שני להנדסה, אוניברסיטת צ'יבה, יחד עם פרופסור חבר סאטושי אוגאסווארה ופרופסור טאקשי מוראטה מבית הספר לתואר שני למדעים, אוניברסיטת צ'יבה.
"טכניקת הדמיה זו צפויה לשמש כפלטפורמת טכנולוגית מדידה והערכה חדשה לגילוי רפואי ותרופות," אומר ד"ר קוואשימה.
חיישן PCB EIT–EVA עשוי מסיבי זכוכית אפוקסי לא מוליכים (FR-4 TG130) ומידותיו 100 מ"מ × 70 מ"מ × 1.6 מ"מ. יש לו 16 אלקטרודות למדידת EIT המסודרות סביב אלקטרודת הפעלה מרכזית להפעלת EVA. כך זה עובד: התאים הנבדקים על השפעות התרופה על תעלות יונים ממוקמים על החיישן. מתח צעד מופעל על אלקטרודת ההפעלה, אשר משנה את התפלגות הפוטנציאלים בתווך החוץ-תאי המקיף את התאים. שינוי זה משפיע על פוטנציאל קרום התא, מפעיל תעלות יונים מוגנות מתח כמו תעלות hERG. כאשר תעלות אלו נפתחות, יוני אשלגן יוצאים מהתאים, ומשנים את ההתנגדות החוץ-תאית, הנמדדת על ידי מערכת EIT.
השפעת התרופה על תעלת היונים נצפית לאחר מכן על ידי ניטור שינויים במוליכות החוץ-תאית. אם תעלות ה-hERG אינן חסומות על ידי התרופה, ריכוז יוני האשלגן מחוץ לתאים עולה במהירות. עם זאת, אם התרופה חוסמת את הערוצים, עלייה זו מואטת. המערכת מחשבת מדד יחס מעכב (IR) על ידי מדידת כמה מהר משתנה ריכוז היונים החוץ-תאיים לאורך זמן, מראה עד כמה התרופה מעכבת את תעלות ה-hERG.
כדי לבדוק את השיטה שלהם, חוקרים חשפו תרחיפים של תאי HEK 293 מהונדסים גנטית עם תעלות hERG לתרופה אנטי-אריתמית E-4031 בריכוזים שונים (0 ננומטר, 1 ננומטר, 3 ננומטר, 10 ננומטר, 30 ננומטר ו-100 ננומטר). לאחר ערבוב התרופה ותרחיף התאים לתוך החיישן באמצעות מיקרופיפטה, הם ערכו מדידות EIT בסיסיות למשך 20 שניות כדי לקבוע קו בסיס לתנועת יונים. לאחר מכן, הם החליפו מחזורים של 20 שניות של הפעלת EVA ומדידות EIT.
כאשר תעלות hERG הופעלו על ידי EVA, ההתנגדות החוץ-תאית ירדה בהשוואה לקו הבסיס (עקב עלייה בריכוז יוני האשלגן). עם זאת, כאשר הריכוז של E-4031 עלה וחסם את תעלות ה-hERG, פחות יוני אשלגן הועברו מהאזור התוך תאי לאזור החוץ תאי, וכתוצאה מכך ירידה איטית יותר בהתנגדות.
מ ה IR בעקומת התגובה, החוקרים מצאו שריכוז החצי המקסימלי המעכב או ריכוז התרופה הנדרש לעיכוב תפקוד תעלות hERG ב-50% היה 2.7 ננומטר. ערך זה מראה מתאם חזק (ר2 = 0.85) עם תוצאות שהתקבלו משיטת ה-patch-clamp שהוקמה, המעידה על הסכמה הדוקה בין שתי הטכניקות. בהשוואה לשיטות המסורתיות בהקרנת ערוצי hERG, השיטה המוצעת אינה פולשנית, בעלת זמן תגובה מהיר ואינה דורשת הכשרה מיוחדת. "זה יכול להוביל לבדיקה פרה-קלינית יעילה וקצרה יותר בתהליך גילוי התרופות", מסכם ד"ר קוואשימה.
