Vejer nanopartikler i attogramskalaen

MIT-ingeniører har udtænkt en måde at måle massen af ​​partikler med en opløsning, der er bedre end et attogram - en milliontedel af en trilliontedel af et gram. Vejer disse små partikler, herunder både syntetiske nanopartikler og biologiske komponenter i celler, kunne hjælpe forskere med bedre at forstå deres sammensætning og funktion.

Systemet bygger på en teknologi, der tidligere er udviklet af Scott Manalis, en MIT professor i biologisk og maskinteknik, at veje større partikler, såsom celler. Dette system, kendt som en suspenderet mikrokanalresonator (SMR), måler partiklernes masse, når de flyder gennem en smal kanal.

Ved at formindske størrelsen af ​​hele systemet, forskerne var i stand til at øge dens opløsning til 0,85 attogram - mere end en 30-fold forbedring i forhold til den tidligere generation af enheden.

"Nu kan vi veje små vira, ekstracellulære vesikler, og de fleste af de konstruerede nanopartikler, der bliver brugt til nanomedicin, " siger Selim Olcum, en postdoc i Manalis' laboratorium og en af ​​hovedforfatterne til et papir, der beskriver systemet i denne uges udgave af Procedurer fra National Academy of Sciences .

Kandidatstuderende Nathan Cermak er også hovedforfatter af papiret, og Manalis, medlem af MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, er papirets seniorforfatter. Forskere fra laboratorier af MIT-professorer og Koch Institute-medlemmer Angela Belcher og Sangeeta Bhatia bidrog også til undersøgelsen.

En lille sensor til små partikler

Manalis udviklede først SMR-systemet i 2007 til at måle massen af ​​levende celler, samt partikler så små som et femtogram (en kvadrilliontedel af et gram, eller 1, 000 attogrammer). Siden da, hans laboratorium har brugt enheden til at spore cellevækst over tid, måle celletæthed, og måle andre fysiske egenskaber, såsom stivhed.

Den originale massesensor består af en væskefyldt mikrokanal ætset i en lille siliciumudkrager, der vibrerer inde i et vakuumhulrum. Når celler eller partikler strømmer gennem kanalen, en ad gangen, deres masse ændrer en smule cantileverens vibrationsfrekvens. Partikelens masse kan beregnes ud fra denne ændring i frekvens.

For at gøre enheden følsom over for mindre masser, forskerne måtte skrumpe størrelsen af ​​udkrageren, der opfører sig meget som et dykkerbræt, siger Olcum. Når en dykker hopper for enden af ​​et vippebræt, den vibrerer med en meget stor amplitude og lav frekvens. Når dykkeren styrter i vandet, brættet begynder at vibrere meget hurtigere, fordi brættets samlede masse er faldet betydeligt.

For at måle mindre masser, et mindre "dykkerbræt" er påkrævet. "Hvis du måler nanopartikler med en stor cantilever, det er som at have et kæmpe dykbræt med en lille flue på. Når fluen springer af, du mærker ingen forskel. Derfor skulle vi lave meget små vippebrætter, " siger Olcum.

I en tidligere undersøgelse, forskere i Manalis' laboratorium byggede en 50 mikron cantilever - omkring en tiendedel af størrelsen af ​​den cantilever, der bruges til at måle celler. Det system, kendt som en suspenderet nanokanalresonator (SNR), var i stand til at veje partikler så lette som 77 attogram med en hastighed på en partikel eller to i sekundet.

Cantileveren i den nye version af SNR-enheden er 22,5 mikron lang, og kanalen, der løber på tværs af den, er 1 mikron bred og 400 nanometer dyb. Denne miniaturisering gør systemet mere følsomt, fordi det øger cantileverens vibrationsfrekvens. Ved højere frekvenser, cantileveren er mere lydhør over for mindre ændringer i massen.

Forskerne fik endnu et løft i opløsning ved at skifte kilden til cantileverens vibration fra en elektrostatisk til en piezoelektrisk excitation, som producerer en større amplitude og, på tur, mindsker virkningen af ​​falske vibrationer, der forstyrrer det signal, de forsøger at måle.

Med dette system, forskerne kan måle næsten 30, 000 partikler på lidt mere end 90 minutter. "I løbet af et sekund, vi har fire eller fem partikler, der går igennem, og vi kunne potentielt øge koncentrationen og få partikler til at gå hurtigere igennem, "Siger Cermak.

Partikelanalyse

For at demonstrere enhedens anvendelighed til at analysere konstruerede nanopartikler, MIT-holdet vejede nanopartikler lavet af DNA bundet til små guldkugler, hvilket gjorde det muligt for dem at bestemme, hvor mange guldkugler der var bundet til hvert DNA-origami-stillads. Disse oplysninger kan bruges til at vurdere udbytte, hvilket er vigtigt for at udvikle præcise nanostrukturer, såsom stilladser til nanoenheder.

Forskerne testede også SNR-systemet på biologiske nanopartikler kaldet exosomer - vesikler, der bærer proteiner, RNA, eller andre molekyler udskilt af celler - som menes at spille en rolle i signalering mellem fjerne steder i kroppen.

De fandt ud af, at exosomer udskilt af leverceller og fibroblaster (celler, der udgør bindevæv) havde forskellige profiler af massefordeling, tyder på, at det kan være muligt at skelne vesikler, der stammer fra forskellige celler og kan have forskellige biologiske funktioner.

Forskerne undersøger nu brugen af ​​SNR-enheden til at påvise exosomer i blodet hos patienter med glioblastom (GBM), en type hjernekræft. Denne type tumor udskiller store mængder exosomer, og sporing af ændringer i deres koncentration kan hjælpe læger med at overvåge patienter, mens de bliver behandlet.

Glioblastoma exosomer kan nu påvises ved at blande blodprøver med magnetiske nanopartikler belagt med antistoffer, der binder til markører fundet på vesikeloverflader, men SNR kunne give en enklere test.

"Vi er særligt begejstrede for at bruge den høje præcision af SNR til at kvantificere mikrovesikler i blodet hos GBM-patienter. Selvom der findes affinitetsbaserede tilgange til at isolere undergrupper af mikrovesikler, SNR kunne potentielt give et mærkefrit middel til at optælle mikrovesikler, der er uafhængigt af deres overfladeekspression, "Siger Manalis.