Platform for high-throughput biomechanical measurements using metallic islands on boron nitride nanosheets

使用氮化硼纳米片上的金属岛进行高通量生物力学测量的平台

基本信息

  • 批准号:
    10158533
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 18.25万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-06-01 至 2023-05-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

SUMMARY This proposal describes a new platform for high-throughput measurement of mechanical phenomena in cells. The platform is based on a type of strain sensor comprising metallic nanoislands supported by hexagonal boron nitride. Mechanical deformation produces a change in both the electrical resistance and the optical scattering of these sensors. These processes allow the detection of deformations ≤1 ppm (≤0.0001% strain). This unprecedented level of sensitivity permits the measurement of minute forces produced by cells that cannot be measured using existing methods, and the electrical signals can be analyzed rapidly using machine-learning algorithms. While this sensor has a broad range of potential applications in cell biology, we apply it here to a ubiquitous challenge in cardiovascular medicine and drug discovery. In particular, contractile dysfunction in cardiomyocytes is associated with a range of difficult-to-treat cardiomyopathies. In drug discovery, cardiotoxicity (myopathy, arrhythmia, or both) is a leading reason for the failure of drugs during development and aftermarket launch. For some classes of drugs—especially those used in chemotherapy—up to 30% of patients experience heart disease related to their treatment. Indeed, heart failure is the second most common reason for death of cancer patients. There are currently no assays that are both predictive of cardiotoxicity and are of sufficient throughput to implement early in drug development (i.e., when safer drug leads can be selected among analogues). We propose the use of induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (iPSC-CMs) bearing various disease-associated mutations as a test case of our nano-enabled biomechanical sensor. In particular, we will construct an array based on a “96-well” plate format combined with high-throughput analysis using a purpose-designed machine learning algorithm in order to measure the forces and kinetics of contractility of the cells. Such a platform would enable large-scale evaluation of disease mechanisms and accelerate therapeutic target discovery by permitting high-throughput, unbiased testing. This application offers the exciting possibility of introducing aspects of the biology of the human heart early in the discovery pipeline. More broadly, the platform we describe offers the potential of answering deep questions about mechanical phenomena in cells—“the mechanome”—which play critical roles in human health.
概括 该提案描述了一个新的平台,用于高通量测量细胞中机械现象。 该平台基于六边形硼支持的一种应变传感器完成金属纳米群岛 氮化物。机械变形会导致电阻和光散射的变化 这些传感器。这些过程允许检测变形≤1ppm(≤0.0001%应变)。这 空前的灵敏度水平允许测量细胞产生的微小力 使用现有方法测量,可以使用机器学习迅速分析电信号 算法。尽管该传感器在细胞生物学中具有广泛的潜在应用,但我们在此处将其应用于 心血管医学和药物发现中无处不在的挑战。特别是收缩功能障碍 心肌细胞与一系列难以治疗的心肌病有关。在药物发现中,心脏毒性 (肌病,心律失常或两者)是在发育和售后市场失败的主要原因 发射。对于某些类别的药物(尤其是化学疗法中使用的药物),到30%的患者经历 与他们的治疗有关的心脏病。确实,心力衰竭是死亡的第二大最常见原因 癌症患者。目前没有任何可以预测心脏毒性的测定法 在药物开发早期实施的吞吐量(即,可以选择更安全的药物铅 类似物)。我们建议使用诱导的多能干细胞衍生的心肌细胞(IPSC-CMS)轴承 各种与疾病相关的突变,作为我们纳米启用生物力学传感器的测试案例。尤其, 我们将基于“ 96孔”板格式构建一个阵列,并结合使用高通量分析 专门设计的机器学习算法是为了衡量的力和动力学 细胞。这样的平台将能够对疾病机制进行大规模评估并加速治疗 通过允许高通量,公正的测试来发现目标。该应用程序提供了令人兴奋的可能性 在发现管道早期引入人心生物学的各个方面。更广泛地,平台 我们描述的是回答有关细胞中机械现象的深刻问题的潜力 - 机制” - 在人类健康中起关键作用。

项目成果

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