‘Virtuele pilaren’ scheiden en sorteren op bloed gebaseerde nanodeeltjes

Ingenieurs van Duke University hebben een apparaat ontwikkeld dat geluidsgolven gebruikt om de kleinste deeltjes in bloed binnen enkele minuten te scheiden en te sorteren. De technologie is gebaseerd op een concept dat “virtuele pijlers” wordt genoemd en zou een zegen kunnen zijn voor zowel wetenschappelijk onderzoek als medische toepassingen.

Kleine biologische nanodeeltjes, “kleine extracellulaire blaasjes” (sEV’s) genoemd, komen vrij uit elk type cel in het lichaam en worden verondersteld een grote rol te spelen bij cel-tot-celcommunicatie en ziekteoverdracht. De nieuwe technologie, genaamd Acoustic Nanoscale Separation via Wave-pillar Excitation Resonance, of kortweg ANSWER, haalt deze nanodeeltjes niet alleen in minder dan 10 minuten uit biovloeistoffen, maar sorteert ze ook in groottecategorieën waarvan wordt aangenomen dat ze verschillende biologische rollen hebben.

De resultaten verschenen op 23 november online in het tijdschrift Wetenschappelijke vooruitgang.

“Deze nanodeeltjes hebben een aanzienlijk potentieel voor medische diagnose en behandeling, maar de huidige technologieën voor het scheiden en sorteren ervan duren enkele uren of dagen, zijn inconsistent, produceren een lage opbrengst of zuiverheid, lijden aan verontreiniging en beschadigen soms de nanodeeltjes”, zegt Tony Jun Huang. , de William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science aan Duke.

“We willen het extraheren en sorteren van hoogwaardige sEV’s net zo eenvoudig maken als een druk op de knop en de gewenste monsters sneller krijgen dan nodig is om te douchen, ” zei Huang.

Recent onderzoek geeft aan dat sEV’s bestaan ​​uit verschillende subgroepen met verschillende afmetingen (bijv. kleiner dan 50 nanometer, tussen 60 en 80 nanometer en tussen 90 en 150 nanometer). Aangenomen wordt dat elke maat verschillende biologische eigenschappen heeft.

De recente ontdekking van sEV-subpopulaties heeft onderzoekers enthousiast gemaakt vanwege hun potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen op het gebied van niet-invasieve diagnostiek, zoals de vroege opsporing van kanker en de ziekte van Alzheimer. Maar de deeltjes hebben hun weg naar klinische instellingen nog niet gevonden.

Huang zei dat dit grotendeels te wijten is aan de moeilijkheden die gepaard gaan met het scheiden en isoleren van deze sEV-subpopulaties van nanoformaat. Om deze uitdaging aan te gaan, ontwikkelden Huang, zijn promovendus Jinxin Zhang en medewerkers van UCLA, Harvard en Magee-Womens Research Institute het ANSWER-platform.

Het apparaat gebruikt een enkel paar transducers om een ​​staande geluidsgolf te genereren die een smal, ingesloten kanaal omhult dat gevuld is met vloeistof. De geluidsgolf “lekt” in het vloeistofcentrum door de kanaalwanden en interageert met de oorspronkelijke staande geluidsgolf. Met een zorgvuldig ontwerp van de wanddikte, kanaalgrootte en geluidsfrequentie, creëert deze interactie een resonantie die “virtuele pilaren” vormt langs het midden van het kanaal.

Elk van deze virtuele pijlers is in wezen een half-eivormig hogedrukgebied. Terwijl deeltjes proberen de pilaren over te steken, worden ze naar de randen van het kanaal geduwd. En hoe groter de deeltjes, hoe groter de druk. Door de reeks virtuele pijlers af te stemmen om genuanceerde krachten op de reizende nanodeeltjes te creëren, kunnen de onderzoekers ze nauwkeurig op grootte sorteren in een verscheidenheid aan groepen die worden bepaald door de behoeften van de experimenten die voorhanden zijn.

“De ANSWER EV-fractioneringstechnologie is de meest geavanceerde mogelijkheid voor nauwkeurige EV-fractionering en zal een aanzienlijke impact hebben op de horizon van EV-diagnostiek, prognostiek en vloeibare biopsie”, aldus David Wong, directeur van UCLA Center for Oral/Head & Neck Oncology Research.

In het nieuwe artikel laten de onderzoekers zien dat hun ANSWER-platform met succes sEV’s in drie subgroepen kan sorteren met een nauwkeurigheid van 96% voor nanodeeltjes aan het grotere uiteinde van het spectrum en 80% nauwkeurigheid voor de kleinste. Ze tonen ook flexibiliteit in hun systeem door het aantal groeperingen en reeksen van groottes aan te passen met eenvoudige updates van de geluidsgolfparameters. Elk van de experimenten duurde slechts 10 minuten, terwijl andere methoden, zoals ultracentrifugatie, enkele uren of dagen kunnen duren.

“Vanwege het contactloze karakter biedt ANSWER een biocompatibele aanpak voor de scheiding van biologische nanodeeltjes.” zei Zhang. “In tegenstelling tot mechanische filtratiemethoden, die vaste scheidingsdiameters hebben, biedt ANSWER een afstembare benadering van scheiding op nanoschaal, en de scheidingsdiameter kan nauwkeurig worden aangepast door het akoestische ingangsvermogen te variëren.”

In de toekomst zullen de onderzoekers de ANSWER-technologie blijven verbeteren, zodat deze efficiënt kan zijn bij het zuiveren van andere biologisch relevante nanodeeltjes, zoals virussen, antilichamen en eiwitten.