Инженерный подход позволил создать эффективную комбинацию препаратов против паразитических червей
Лабораторное видео демонстрирует: крошечные паразитические черви свободно плавают в питательном растворе, они активны и подвижны. При воздействии на тех же червей смесью из четырёх препаратов, оптимизированной с помощью инженерной методики, они частично парализованы и беспомощно барахтаются на месте.
Эксперимент показывает, что технология, разработанная и запатентованная Чи-Мин Хо из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе — метод оптимизации с использованием системы обратной связи (feedback system control optimization technique) — может быстро выявлять мощные комбинации лекарств, эффективные против модельного организма (нематоды).
Исследование опубликовано 4 октября в журнале Science Advances. Ведущие авторы статьи — Сантош Пандей, доцент электротехники и вычислительной техники в Университете штата Айова, и Сянтин Дин, профессор Школы биомедицинской инженерии Шанхайского университета Цзяо Тун. Соавторы — Зак Ньюс, бывший аспирант Университета штата Айова; Тэджун Конг, нынешний аспирант того же университета; Вэньцюн Су из шанхайского университета; и Чи-Мин Хо, заслуженный профессор машиностроения и аэрокосмической техники в UCLA.
Методология эксперимента
В исследовании образцы нематоды Caenorhabditis elegans помещали в микрофлюидные камеры и подвергали воздействию различных комбинаций четырёх парализующих препаратов: левамизола, пирантела, метиридина и трибендимидина.
Для измерения эффекта лаборатория разработала программное обеспечение для видео-трекинга, которое количественно оценивает движение червя по его скорости и кривизне траектории. Видео записывалось со скоростью 1 кадр в секунду в течение 10 минут.
«Мы хотели количественно оценить паралич червей, используя простой, идентифицируемый набор параметров, — сказал Пандей. — Червяк с наибольшей кривизной и наименьшей скоростью действительно борется и парализован».
Целью было найти смесь, которая снижает концентрации препаратов, одновременно повышая токсичность. Это может снизить стоимость лечения и бороться с развитием лекарственной устойчивости.
Процесс оптимизации
Эксперимент проходил так:
- Группа Пандея определила шесть уровней концентрации для каждого из четырёх препаратов.
- Система оптимизации Хо взяла эти уровни и предложила восемь различных смесей препаратов в различных концентрациях.
- Группа Пандея подвергла червей воздействию каждой из восьми смесей и передала результаты обратно в систему.
- Система сохранила четыре наиболее эффективные комбинации и предложила ещё четыре.
«Выигрышный коктейль» был идентифицирован после того, как процесс повторили четыре раза, всего проведя 32 теста.
Несмотря на то, что компьютерной системе требуется только обратная связь о результатах экспериментов (без информации о фармакологии препаратов или биологии организма), она оказалась эффективным инструментом для быстрого поиска действенной комбинации.
Значение и перспективы
Тест подтверждает применимость системы обратной связи для тестирования лекарств на нематодах как на целых организмах. Ранее Хо показал, что эту систему можно использовать в исследованиях на клетках, включая разработку противораковых препаратов.
Успешная демонстрация эффективной комбинации препаратов против нематод может помочь в решении двух основных проблем, связанных с инфекциями:
- Множественная лекарственная устойчивость паразитов к существующим препаратам.
- Огромные затраты и время (более 10 лет) на разработку новых лекарств.
«Более разумной альтернативой открытию новых лекарств была бы разработка оптимизированных комбинаций уже существующих препаратов, которые более эффективны и уже одобрены FDA, — сказал Пандей. — Захватывающей задачей будет проверить, работает ли эта методика на других модельных организмах и паразитах».