Ważenie cząstek na attogramowej skali

Inżynierowie MIT opracowali sposób pomiaru masy cząstek z rozdzielczością lepszą niż attogram — jedna milionowa bilionowej części grama. Ważenie tych maleńkich cząstek, w tym zarówno syntetycznych nanocząstek, jak i biologicznych składników komórek, może pomóc naukowcom lepiej zrozumieć ich skład i funkcję.

System opiera się na technologii opracowanej wcześniej przez Scotta Manalisa, profesora inżynierii biologicznej i mechanicznej na MIT, do ważenia większych cząstek, takich jak komórki. Ten system, znany jako zawieszony rezonator mikrokanałowy (SMR), mierzy masę cząstek, gdy przepływają przez wąski kanał.

Zmniejszając rozmiar całego systemu, naukowcy byli w stanie zwiększyć jego rozdzielczość do 0,85 attogramów — ponad 30-krotna poprawa w porównaniu z poprzednią generacją urządzenia.

Teraz możemy zważyć małe wirusy, pęcherzyki zewnątrzkomórkowe i większość wytworzonych nanocząstek, które są wykorzystywane w nanomedycynie, mówi Selim Olcum, stażysta w laboratorium Manalis i jeden z głównych autorów artykułu opisującego system w wydaniu z tego tygodnia. ten Materiały Narodowej Akademii Nauk .

Absolwent Nathan Cermak jest również głównym autorem artykułu, a Manalis, członek MIT Instytut Kocha dla Integracyjnych Badań nad Rakiem , jest starszym autorem artykułu. Wkład w badania wnieśli również naukowcy z laboratoriów profesorów MIT i członków Instytutu Kocha, Angeli Belcher i Sangeeta Bhatia.

Mały czujnik do małych cząstek

Firma Manalis po raz pierwszy opracowała system SMR w 2007 roku do pomiaru masy żywych komórek, a także cząstek tak małych jak femtogram (jedna biliardowa grama lub 1000 attogramów). Od tego czasu jego laboratorium używa urządzenia do: śledzić wzrost komórek w czasie , zmierzyć gęstość komórek , oraz zmierzyć inne właściwości fizyczne, takie jak sztywność .

Oryginalny czujnik masy składa się z wypełnionego płynem mikrokanału, wyrytego w maleńkim silikonowym wsporniku, który wibruje wewnątrz próżniowej wnęki. Gdy komórki lub cząstki przepływają przez kanał pojedynczo, ich masa nieznacznie zmienia częstotliwość drgań wspornika. Masę cząstki można obliczyć na podstawie tej zmiany częstotliwości.

Aby urządzenie było czułe na mniejsze masy, naukowcy musieli zmniejszyć rozmiar wspornika, który zachowuje się jak trampolina, mówi Olcum. Gdy nurek odbija się na końcu trampoliny, drga ona z bardzo dużą amplitudą i niską częstotliwością. Gdy nurek zanurza się w wodzie, deska zaczyna wibrować znacznie szybciej, ponieważ całkowita masa deski znacznie spadła.

Do pomiaru mniejszych mas potrzebna jest mniejsza trampolina. Jeśli mierzysz nanocząstki za pomocą dużego wspornika, to tak, jakbyś miał ogromną trampolinę z małą muchą na niej. Kiedy mucha odskoczy, nie zauważysz żadnej różnicy. Dlatego musieliśmy zrobić bardzo małe trampoliny, mówi Olcum.

W poprzednim badaniu naukowcy z laboratorium Manalis zbudowali wspornik 50 mikronów — około jednej dziesiątej wielkości wspornika używanego do pomiaru komórek. System ten, znany jako zawieszony rezonator nanokanałowy (SNR), był w stanie zważyć cząstki tak lekkie, jak 77 attogramów, z prędkością cząstki lub dwóch na sekundę.

Wspornik w nowej wersji urządzenia SNR ma długość 22,5 mikrona, a przebiegający przez niego kanał ma szerokość 1 mikrona i głębokość 400 nanometrów. Ta miniaturyzacja sprawia, że ​​system jest bardziej czuły, ponieważ zwiększa częstotliwość drgań wspornika. Przy wyższych częstotliwościach wspornik lepiej reaguje na mniejsze zmiany masy.

Naukowcy uzyskali kolejny wzrost rozdzielczości, przełączając źródło drgań wspornika z elektrostatycznego na piezoelektryczne, które wytwarza większą amplitudę, a co za tym idzie, zmniejsza wpływ fałszywych wibracji, które zakłócają sygnał, który próbują zmierzyć.

Dzięki temu systemowi naukowcy mogą zmierzyć prawie 30 000 cząstek w nieco ponad 90 minut. Cermak mówi, że w ciągu sekundy przechodzą cztery lub pięć cząstek i możemy potencjalnie zwiększyć stężenie i przyspieszyć przenikanie cząstek.

Analiza cząstek

Aby zademonstrować przydatność urządzenia w analizie nanocząsteczek poddanych inżynierii, zespół MIT zważył nanocząsteczki wykonane z DNA połączone z maleńkimi złotymi kulkami, co pozwoliło im określić, ile złotych kulek jest związanych z każdym rusztowaniem DNA-origami. Informacje te można wykorzystać do oceny wydajności, co jest ważne przy opracowywaniu precyzyjnych nanostruktur, takich jak rusztowania do nanourządzeń.

Naukowcy przetestowali również system SNR na biologicznych nanocząstkach zwanych egzosomami – pęcherzykach przenoszących białka, RNA lub inne cząsteczki wydzielane przez komórki – które, jak się uważa, odgrywają rolę w sygnalizacji między odległymi miejscami w ciele.

Odkryli, że egzosomy wydzielane przez komórki wątroby i fibroblasty (komórki tworzące tkankę łączną) mają różne profile dystrybucji masy, co sugeruje, że możliwe jest rozróżnienie pęcherzyków pochodzących z różnych komórek i mogących mieć różne funkcje biologiczne.

Naukowcy badają obecnie wykorzystanie urządzenia SNR do wykrywania egzosomów we krwi pacjentów z glejakiem wielopostaciowym (GBM), rodzajem raka mózgu. Ten typ guza wydziela duże ilości egzosomów, a śledzenie zmian w ich stężeniu może pomóc lekarzom w monitorowaniu pacjentów podczas ich leczenia.

Egzosomy glejaka można teraz wykryć przez zmieszanie próbek krwi z nanocząsteczkami magnetycznymi pokrytymi przeciwciałami, które wiążą się z markerami znajdującymi się na powierzchni pęcherzyków, ale SNR może zapewnić prostszy test.

Szczególnie cieszy nas możliwość wykorzystania wysokiej precyzji SNR do ilościowej oceny mikropęcherzyków we krwi pacjentów z GBM. Chociaż istnieją podejścia oparte na powinowactwie do izolowania podzbiorów mikropęcherzyków, SNR może potencjalnie zapewnić bezetykietowy sposób zliczania mikropęcherzyków, który jest niezależny od ich ekspresji powierzchniowej, mówi Manalis.

Badania były finansowane przez US Army Research Office za pośrednictwem Institute for Collaborative Biotechnologies, Center for Integration of Medicine and Innovative Technology, National Science Foundation i National Cancer Institute.

ukryć