Nel campo della ricerca e dello sviluppo di farmaci, sono richiesti maggiore accuratezza nella valutazione dell'efficacia e della sicurezza nei test non clinici e un'ulteriore semplificazione dei processi di sviluppo. Attualmente vi è una crescente esigenza di nuovi metodi basati su tecnologie avanzate e sistemi microfisiologici come organoidi, cellule nervose e cardiomiociti derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane (iPSC), che consentono una valutazione estremamente accurata degli effetti dei composti sul corpo umano, senza il ricorso all’uso di animali usati come cavie per sperimentazioni. Questi strumenti possono offrire un nuovo approccio alla sperimentazione animale, attualmente obbligatoria prima della sperimentazione clinica di nuovi farmaci. Inoltre, l'acquisizione di dati cellulari più sofisticati dovrebbe contribuire alle iniziative di ricerca sulle malattie.

Le tre aziende si sono unite per sviluppare il sistema MEA ad alta densità con la collaborazione del Tohoku Institute of Technology (Tohtech). Basato sui dati dell'attività elettrica delle cellule, il sistema consente di osservare le differenze tra cellule malate e cellule sane e la risposta delle cellule ai composti a livello della singola cellula. In particolare, la tecnologia CMOS-MEA ad alta densità di Sony,^*1 attualmente in fase di sviluppo, e la tecnologia del gruppo SCREENper la misurazione dell'attività elettrica cellulare sono state combinate per rilevare il potenziale elettrico extracellulare, con una matricedi microelettrodi ad alta densità, che genera dati convertiti e trasmessi sotto forma di immagine. Grazie a questo processo, gli utenti possono monitorare le scariche cellulari^*2, misurare e registrare la reazione. Inoltre, il sistema è dotato di un algoritmo ottimizzato da VitroVo (basato sulla ricerca congiunta di Sony e Tohtech) per la valutazione dei composti e di un software di analisi che consente una migliore operatività per gli utenti. In questo modo è possibile visualizzare rapidamente su un monitor i risultati delle analisi, come la frequenza di scariche cellulari calcolata dai dati di misurazione del potenziale elettrico e delle immagini. Queste funzionalità di misurazione e analisi consentono di acquisire dati sull'attività cellulare con una densità maggiore rispetto ai metodi convenzionali, permettendo agli utenti di ottenere risultati di test difficili da ricavare con i metodi di misurazione tradizionali.

Questo sistema può supportare la ricerca sui fenotipi delle malattie, sulla base di dati ad alta densità di attività cellulare, e la valutazione del rischio o la valutazione più efficiente dell'efficacia di composti per nuovi farmaci in alternativa alla sperimentazione animale. Poiché il sistema consente l'osservazione dei neuroni, potrà facilmente essere utilizzato anche nella ricerca e nello sviluppo di nuovi farmaci per malattie mentali come la depressione e la schizofrenia, disturbi neurologici come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) e il morbo di Alzheimer, nonché nella ricerca di base sulle neuroscienze.

Per verificare l'efficacia del sistema e del metodo di valutazione e promuovere lo sviluppo tecnico in vista della commercializzazione, le tre aziende forniranno congiuntamente il sistema a società e istituti di ricerca impegnati nello sviluppo di farmaci su base sperimentale. Oltre alla fornitura del sistema da parte di SCREEN, VitroVo offrirà il supporto per l'introduzione del sistema attraverso la consulenza sulle procedure di coltura cellulare, l'analisi dei dati personalizzati e l'interpretazione dei risultati dei test. Allo stesso tempo, VitroVo inizierà a offrire servizi di ricerca a contratto per verificare l'efficacia del sistema. Questa sperimentazione consentirà alle tre aziende di accelerare lo sviluppo del sistema e le indagini di mercato sulla base del feedback degli utenti, con l'obiettivo di commercializzare i sistemi MEA che utilizzano CMOS-MEA.

Informazioni su CMOS-MEA

• Il CMOS-MEA è un dispositivo in grado di misurare l'attività elettrica cellulare in tempo reale. Una matrice di microelettrodi (MEA) densamente posizionati sulla parte superiore del chip del sensore misura il potenziale elettrico generato dall'afflusso e dal deflusso di ioni associati all'attività cellulare; quindi, elabora il segnale e trasmette i dati sotto forma di immagine. Questa tecnologia consente di verificare gli effetti di farmaci e altri composti sulle cellule e sui processi di propagazione attraverso l’utilizzo delle immagini.
• Il CMOS-MEA, attualmente in fase di sviluppo da parte di Sony, utilizza un passo ridotto tra gli elettrodi ottenendo un design compatto con una matrice molto densa di circa 237.000 elettrodi. Le tecnologie di conversione Analogico/Digitale e di interfaccia ad alta velocità che Sony ha sviluppato durante la progettazione dei sensori di immagine consentono di leggere i dati ? provenienti da tutti gli elettrodi simultaneamente.

• La ricerca congiunta di Sony e Tohtech ha rivelato che i CMOS-MEA consentiranno di monitorare le cellule ad alta definizione, cosa difficile con la tecnologia convenzionale, e di analizzare i dati a livello di singola cellula. Inoltre, tale tecnologia si è rivelata promettente per le applicazioni non solo nella scoperta di farmaci, ma anche in un'ampia varietà di discipline come la biotecnologia, la scienza biomedica, la medicina e la farmacologia. I risultati delle ricerche sono stati applicati anche nel processo di sviluppo del sistema.

Pubblicazioni correlate:

• Ikuro Suzuki, Naoki Matsuda, Xiaobo Han, Shuhei Noji, Mikako Shibata, Nami Nagafuku, Yuto Ishibashi, Large-area field potential imaging having single neuron resolution using 236,880 electrodes CMOS-MEA technology?Advanced Science: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207732; DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202207732
• N. Matsuda, N. Nagafuku, K. Matsuda, Y. Ishibashi, T. Taniguchi, Y. Matsushita, N. Miyamoto, T. Yoshinaga, I. Suzuki, Field potential Imaging in human iPSC- derived Cardiomyocytes using UHD-CMOS-MEA. ??bioRxiv:https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.03.31.646249v1; DOI:https://doi.org/10.1101/2025.03.31.646249
• H. Takahashi, N. Matsuda, I. Suzuki, Analysis of ß rhythm induction in acute brain slices using field potential imaging with ultra-high-density CMOS-based microelectrode array. ??bioRxiv: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2025.03.30.646248v1; DOI:https://doi.org/10.1101/2025.03.30.646248

Ruolo di ciascuna azienda nello sviluppo del sistema e nell'offerta di prova

• Sony: Sviluppo dell'hardware, compresa la fornitura del sensore CMOS-MEA.
• SCREEN: Sviluppo di software per la misurazione e l'analisi dei dati cellulari, assistenza ai clienti per l'offerta dei sistemi di prova.
• VitroVo: Fornitura di servizi di ricerca a contratto che utilizzano il sistema, consulenza sulle colture e sull'analisi dopo l'introduzione del sistema e sviluppo di nuove tecnologie di utilizzo e analisi.