Tecnica di ordinamento magnetico e genomica per la scoperta di farmaci / Magnetic sorting and genomic technique for drug discovery

Tecnica di ordinamento magnetico e genomica per la scoperta di farmaci / Magnetic sorting and genomic technique for drug discovery

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori canadesi uniscono tecnologie microfluidiche e genomiche per la scoperta di farmaci contro il cancro e la medicina rigenerativa

Il progetto, che ha coinvolto anche ingegneri elettrici, mira a ricercare nel genoma umano geni, e i relativi prodotti proteici, che possano essere bersaglio di farmaci per curare una varietà di malattie. Si tratta di un compito solitamente molto lungo, ma i responsabili della ricerca Shana Kelley e Jason Moffat dell'Università di Toronto hanno ipotizzato che combinare le tecniche su cui stavano lavorando – rispettivamente una tecnica di smistamento magnetico e l'editing genetico tramite CRISPR – potrebbe accelerare il processo. Come riportano in un articolo su Nature Biomedical Engineering, la loro intuizione si è rivelata corretta.

Un nuovo dispositivo microfluidico sviluppato presso l'Università di Toronto è in grado di selezionare un miliardo di cellule all'ora in base alla loro composizione molecolare, accelerando notevolmente la scoperta di nuovi bersagli farmacologici nelle cellule. 

Entrambi i ricercatori stavano lavorando ad un ampio progetto multicentrico chiamato Medicine by Design, con Kelley, farmacista, a capo di un gruppo che stava costruendo dispositivi microfluidici che utilizzano minuscoli magneti incorporati nelle cellule per separare grandi popolazioni miste di cellule. Moffat, specialista in ricerca cellulare e biomedica, stava utilizzando CRISPR, una potente tecnica per identificare e manipolare geni specifici nelle cellule, per studiare come il sistema immunitario dell'organismo venga attivato per attaccare alcune cellule ma non altre. Una conversazione in un corridoio ha portato i ricercatori ad unire i loro filoni di ricerca, dando vita a quello che Kelley definisce "un motore per la scoperta di nuovi bersagli terapeutici nelle cellule".

L'articolo del gruppo descrive come hanno utilizzato CRISPR per rivelare promettenti bersagli farmacologici disattivando i geni che producono proteine ​​che favoriscono la diffusione del cancro. Utilizzando tecniche sviluppate da Kelley, i ricercatori hanno legato minuscole particelle magnetiche alle proteine ​​bersaglio che si trovano sulla superficie delle cellule che le producono e hanno incanalato l'intera popolazione di cellule in un dispositivo grande circa la metà di una carta di credito, striato con strisce di materiale magnetico che catturano le cellule marcate in canali di raccolta corrispondenti alla quantità di materiale magnetico sulla superficie, che a sua volta corrisponde alla concentrazione della proteina bersaglio.

Per testare il metodo, si sono concentrati sull'immunoterapia del cancro, una tecnica che inganna il sistema immunitario inducendolo ad attaccare le cellule tumorali mutate (normalmente, queste verrebbero ignorate, portando alla crescita ed alla diffusione del tumore). Utilizzando CRISPR, hanno identificato un gene che produce una proteina nota come CD47, che segnala alle cellule immunitarie di non attaccare: le cellule tumorali spesso dirottano questo processo per sfuggire al rilevamento. Ricerche precedenti avevano indicato che bloccare direttamente CD47 con i farmaci porta ad effetti collaterali dannosi, quindi semplicemente indurre la cellula a produrne meno potrebbe essere un trattamento più efficace. Lo screening CRISPR ha identificato un enzima che aiuta a mimetizzare la proteina dal sistema immunitario e potrebbe essere bloccato con un farmaco standard, ed il dispositivo microfluidico ha selezionato con successo le cellule con il gene che produce l'enzima da una popolazione mista di cellule.

"Fino ad un miliardo di cellule possono viaggiare contemporaneamente lungo questa autostrada di guide magnetiche e possiamo elaborarle in un'ora", afferma Kelley. "Si tratta di un'enorme svolta per gli screening CRISPR". Utilizzando le attuali tecniche di smistamento, che impiegano marcatori fluorescenti individuati tramite laser, la stessa procedura di smistamento richiederebbe dalle 20 alle 30 ore, rendendo la scoperta di farmaci un compito costoso ed arduo.

Kelley e Moffat sperano inoltre che la tecnica possa essere utilizzata nella medicina rigenerativa, per identificare i geni che attivano le cellule staminali affinché si trasformino in specifici tipi di cellule, il che renderebbe più facile raccogliere il tipo giusto di cellule per le terapie.

ENGLISH

Canadian researchers bring together microfluidic and genomic technologies for drug discovery in cancer and regenerative medicine

The project, which also involved electrical engineers, is aimed at searching the human genome for genes, and the associated protein products, that can be targeted by drugs to treat a variety of illnesses. This is normally a very lengthy task, but research leaders Shana Kelley and Jason Moffat of the University of Toronto reasoned that combining the techniques they were working on – respectively, a magnetic sorting technique and gene-editing using CRISPR – might speed the process up. As they report in a paper in Nature Biomedical Engineering, their hunch was correct.

A new microfluidics device developed at University of Toronto is capable of sorting one billion cells per hour based on their molecular makeup, vastly accelerating the discovery of new drug targets in cells. 

Both researchers were working on a large multi-centre project called Medicine by Design, with Kelley, a pharmacist, leading a team that was building microfluidic devices which use tiny magnets incorporated into cells to sort large mixed populations of cells. Moffat, a cellular and biomedical research specialist, was using CRISPR, a powerful technique for identifying and manipulating specific genes in cells, to study how the body's immune system is triggered to attack certain cells but not others. A conversation in a corridor led researchers to combine their research strands, resulting in what Kelley calls "an engine for the discovery of new therapeutic targets in cells."

The team's paper describes how they used CRISPR to reveal promising drug targets by switching off genes that produce proteins that help cancer to spread. Using techniques developed by Kelley, the researchers bound tiny magnetic particles to the target proteins which reside on the surface of the cells that produce them, and funnelled the entire population of cells into a device about half the size of a credit card, streaked with strips of magnetic material that capture the marked cells into collection channels corresponding to the amount of magnetic material on the surface, which corresponded to the concentration of the target protein.

To test the method, they focused on cancer immunotherapy, a technique which tricks the immune system into attacking mutated cancer cells (normally, these would be ignored, leading to growth and spread of the cancer). Using CRISPR, they identified a gene that produces a protein known as CD47, which signals immune cells not to attack – cancer cells often hijack this process to escape detection. Previous research had indicated that blocking CD47 directly with drugs leads to harmful side effects, so just tricking the cell to produce less might be a more effective treatment. The CRISPR screen identified an enzyme that helps camouflage the protein from the immune system, and could be blocked with an off-the-shelf drug, and the microfluidic device successfully sorted cells with the gene producing the enzyme from a mixed population of cells.

"As many as one billion cells can travel down this highway of magnetic guides at once and we can process that in one hour," says Kelley." It's a huge gamechanger for CRISPR screens." Using current sorting techniques, which employ fluorescent markers picked out by lasers, the same sorting procedure would take 20-30 hours, making drug discovery an expensive and arduous task.

Kelley and Moffat also hope the technique can be used in regenerative medicine, to identify genes that activate stem cells to transform into specific cell types, which would make it easier to harvest the right sort of cells for therapies.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/magnetic-sorting-and-genomic-technique-for-drug-discovery?