最近，千叶大学的科学家们引入了一种新的非侵入性技术，该技术结合了电阻抗成像（EIT）和细胞外电压激活（EVA），旨在评估药物对离子通道的影响。这种创新的印刷电路板（PCB）传感器能够实时观察前沿药物如何影响通道中的离子流，为传统的如膜片钳技术等方法提供了更具成本效益和精确的替代方案。这一进展可能会简化并缩短药物开发流程中的临床前评估。
在新药创造的过程中，理解它们对体内离子通道的影响至关重要，例如在神经元和心肌中发现的人类以太着火基因(hERG)离子通道。阻断hERG通道可能干扰心脏的正常节律，导致可能危及生命的情况称为心室扭转。传统评估这些影响的方法往往涉及侵入性程序，如膜片钳技术或荧光显微镜。这些技术可能无意中改变细胞特性，并可能扭曲测量精度，需专门的设备和专业知识，从而提高了成本和复杂性。
为了克服这些问题，由千叶大学工程研究生院的助理教授川岛大介领导的团队引入了一种创新的非侵入性方法，用于实时评估药物对hERG通道的影响。他们开发了一种将EIT与EVA结合的PCB传感器。EIT通过离子运动检测阻抗的变化，提供关于离子在细胞外分布的空间细节。EVA则涉及对细胞外环境施加受控电压，以引发离子通道活动的变化。这种结合的方法使科学家能够非侵入性地刺激hERG通道，并跟踪因药物暴露引起的离子流实时变化。
研究结果于2024年5月23日发表在期刊《Lab on A Chip》上，作出了贡献的包括千叶大学工程研究生院的助理教授李松石和汤庄正宏教授，以及千叶大学科学研究生院的副教授小笠原聪和村田健教授。
川岛博士指出：“这种成像技术有望建立一个用于医学和药物发现的测量和评估新平台。”
EIT-EVA PCB传感器的尺寸为100 mm × 70 mm × 1.6 mm，由非导电的环氧玻璃纤维（FR-4 TG130）构成，配备了16个用于EIT的电极，围绕一个中央电极进行EVA激活。操作过程如下：被检测的细胞放置在传感器上。对激活电极施加阶梯电压，改变周围细胞外介质中的电位分布。这一调整影响细胞膜电位，激活电压门控的离子通道，如hERG通道。当这些通道开启时，钾离子从细胞内流出，导致通过EIT系统测量到的细胞外电阻变化。
药物对离子通道的影响通过观察细胞外电导率的变化进行监测。如果药物未阻碍hERG通道，细胞外的钾离子浓度将迅速上升。相反，如果药物阻碍通道，这一增加将显著减缓。系统导出了一个抑制比指数（IR），量化了细胞外离子浓度变化随时间的速率，揭示了药物对hERG通道的抑制效果的程度。
为了验证他们的方法，研究人员将表达hERG通道的基因修饰HEK 293细胞悬液暴露于不同浓度的抗心律失常药物E-4031（0 nM，1 nM，3 nM，10 nM，30 nM和100 nM）。在传感器上使用微量移液器制备药物与细胞的混合物后，他们进行了20秒的基线EIT测量，以建立离子运动的参考。接下来，他们在EVA激活和EIT测量的20秒周期之间交替进行。
随着通过EVA激活hERG通道，细胞外电阻相比于建立的基线降低（由于钾离子浓度上升）。然而，随着E-4031浓度的增加并开始抑制hERG通道，钾离子从细胞内流到细胞外的运输减少，从而减缓细胞外电阻的下降。
从得到的IR响应曲线，研究人员确定半最大抑制浓度——即使hERG通道功能下降50%所需的药物量——为2.7 nM。此测量结果与传统膜片钳方法获得的结果之间有很强的相关性（R² = 0.85），表明两种方法之间的一致性显著。与传统的hERG通道评估实践相比，这种提议的技术是非侵入性的，反应时间迅速，并且无需专门培训。川岛博士总结道：“这将使药物发现过程中的临床前测试更加高效和快捷。”
