Sviluppo di farmaci - con decine di migliaia di minuscole gocce su una piccola lastra di vetro
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Basta una lastra di vetro, un tubo delicato e un bagno d'olio: grazie a un nuovo metodo, i ricercatori del Politecnico di Zurigo possono produrre decine di migliaia di minuscole gocce in pochi minuti. Questo permette loro di testare enzimi e principi attivi in modo più rapido, preciso ed efficiente rispetto al passato.
Cosa succede quando un enzima incontra un potenziale ingrediente attivo che dovrebbe inibire o attivare l'enzima? È proprio questo l'obiettivo dello sviluppo dei farmaci. L'analisi dell'interazione di un enzima con una molecola di principio attivo, tuttavia, è estremamente complessa. Il gruppo guidato da Petra Dittrich, professore di bioanalisi al Politecnico di Zurigo, ha sviluppato un metodo che semplifica radicalmente tali test: il loro metodo consente di produrre fino a 100.000 minuscole goccioline contenenti enzimi e substrati su una piastra di vetro, in soli 40 minuti e senza l'uso di una pipetta.
Finora, la maggior parte dei ricercatori ha utilizzato per questo tipo di analisi le piastre per microtitolazione, che sono piastre di plastica standardizzate di dimensioni manuali con un massimo di circa 1.500 piccoli pozzetti. Ognuno di questi pozzetti è essenzialmente una mini provetta che viene riempita di pipette. Il nuovo metodo messo a punto dai ricercatori dell'ETH è molto più efficiente, economico e flessibile.
Le gocce atterrano con precisione millimetrica
Il cuore del metodo è una lastra di vetro rivestita delle dimensioni di un vetrino da microscopio, che misura circa due centimetri per sette. La sua superficie è ricoperta da uno strato idrorepellente che è stato esposto fino a 100.000 punti: minuscoli punti di atterraggio per le gocce che amano l'acqua (idrofili). La soluzione di prova viene immessa attraverso un tubo delicato sulla lastra di vetro, che si muove sotto un controllo preciso. Non appena il liquido raggiunge un punto idrofilo, una gocciolina si separa e vi aderisce con precisione. Le gocce sono minuscole: a seconda delle dimensioni della lastra di vetro, il loro diametro varia da 50 a 250 micrometri - più sottili di un capello umano e appena visibili a occhio nudo.
Per mantenere stabili le gocce, l'intera lastra di vetro viene immersa in un bagno d'olio poco profondo. L'olio impedisce alle minuscole quantità di liquido di evaporare, anche durante gli esperimenti di un giorno, mentre l'olio protegge dalla contaminazione. Dopo l'esperimento, l'olio può essere raccolto, pulito e riutilizzato.
L'intero processo di produzione delle gocce è automatizzato grazie a un dispositivo compatto delle dimensioni di un microscopio che può anche eseguire microscopie, coltivare cellule e cambiare automaticamente i campioni. "Prima ci voleva mezz'ora per impostare tutto correttamente", racconta Breitfeld. "Oggi, grazie alla nostra automazione, basta premere un pulsante e l'esperimento è pronto", afferma Maximilian Breitfeld, scienziato del gruppo di ricerca di Dittrich. Inoltre, la combinazione di un controllo preciso e di una protezione fisica dell'olio consente di variare la composizione delle gocce in modo mirato: a volte con più, a volte con meno principio attivo, con conseguenti gradienti di concentrazione. I ricercatori possono così osservare gli enzimi per un periodo di tempo più lungo, ad esempio, o studiare l'effetto dei principi attivi sulle cellule in test altamente parallelizzati. Le gocce vengono poi analizzate mediante microscopia a fluorescenza o spettrometria di massa, consentendo di seguire con precisione le reazioni enzimatiche.
Quando le ore diventano minuti
L'idea di base deriva da un lavoro precedente del gruppo, che aveva già generato goccioline per applicazioni di screening. "Sapevamo come funzionava la tecnologia in linea di principio, ma era troppo lenta per essere competitiva nella pratica", dice Dittrich. Gli ex dottorandi Maximilian Breitfeld e Claudius Dietsche hanno compiuto i passi decisivi: il loro processo di nuova concezione non solo accelera enormemente la generazione di gocce, ma automatizza anche l'intero processo.
Il Politecnico di Zurigo ha brevettato il processo e lo ha nominato finalista per lo Spark Award di quest'anno.
Gestire un'enorme quantità di dati
L'enorme potenziale del metodo comporta anche una nuova sfida. "Generiamo un'enorme quantità di dati", afferma Dittrich. "Non è più possibile valutarli manualmente: abbiamo bisogno di soluzioni software che ci aiutino ad analizzare le informazioni in modo significativo".
Mentre la quantità di dati aumenta rapidamente, il consumo di risorse rimane sorprendentemente basso: si possono risparmiare fino a cinque chilogrammi di plastica non riciclabile per ogni esperimento, l'olio utilizzato può essere raccolto, mentre il consumo di sostanze chimiche è drasticamente ridotto rispetto ai metodi convenzionali, dato che un intero ciclo sperimentale richiede solo microlitri invece di litri di mezzo di reazione.
Tuttavia, il metodo presenta evidenti limiti. Mentre le minuscole goccioline sono perfette per reazioni rapide in piccoli volumi, come avviene di solito nella microfluidica, il nuovo metodo non è adatto a volumi più grandi di liquidi o a colture di tessuti che crescono per diverse settimane.
Dalla ricerca allo spin-off
I ricercatori stanno ora progettando uno spin-off per lanciare il metodo sul mercato. Hanno in programma di vendere un sistema completo composto da piastre di vetro, attrezzature e software - e test biologici basati su di esso come opzione.
"Per me è fondamentale che il sistema sia veramente affidabile e facile da usare", afferma Dietsche. "Può essere utilizzato al di fuori del nostro laboratorio di ricerca solo se possiamo garantirne la facilità d'uso". La domanda è già evidente, riferiscono i ricercatori, e la nomination per lo Spark Award sta dando loro ulteriore slancio per il previsto spin-off.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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