IBMs lab-on-a-chip gennembrud har til formål at hjælpe læger med at opdage kræft

IBM-forskere har udviklet en ny lab-on-a-chip teknologi, der kan, for første gang, adskille biologiske partikler på nanoskala og kunne gøre det muligt for læger at opdage sygdomme som kræft, før symptomer viser sig.

Som rapporteret i dag i bladet Natur nanoteknologi , IBM-teamets resultater viser størrelsesbaseret adskillelse af biopartikler ned til 20 nanometer (nm) i diameter, en skala, der giver adgang til vigtige partikler såsom DNA, vira og exosomer. Når de er adskilt, disse partikler kan potentielt analyseres af læger for at afsløre tegn på sygdom, selv før patienter oplever fysiske symptomer, og når resultatet af behandlingen er mest positivt. Indtil nu, den mindste biopartikel, der kunne adskilles efter størrelse med on-chip-teknologier, var omkring 50 gange eller større, for eksempel, adskillelse af cirkulerende tumorceller fra andre biologiske komponenter.

IBM samarbejder med et team fra Icahn School of Medicine ved Sinai-bjerget for at fortsætte udviklingen af ​​denne lab-on-a-chip teknologi og planlægger at teste den på prostatakræft, den mest almindelige kræftsygdom hos mænd i USA

I præcisionsmedicinens æra, exosomer betragtes i stigende grad som nyttige biomarkører til diagnosticering og prognose af maligne tumorer. Exosomer frigives i let tilgængelige kropsvæsker såsom blod, spyt eller urin. De repræsenterer et værdifuldt biomedicinsk værktøj, da de kan bruges i forbindelse med mindre invasive flydende biopsier til at afsløre en kræfts oprindelse og art.

IBM-teamet målrettede exosomer med deres enhed, da eksisterende teknologier står over for udfordringer med at adskille og oprense exosomer i flydende biopsier. Exosomer varierer i størrelse fra 20-140nm og indeholder information om sundheden for den oprindelige celle, som de udskilles fra. En bestemmelse af størrelsen, overfladeproteiner og nukleinsyrelast båret af exosomer kan give væsentlig information om tilstedeværelsen og tilstanden af ​​at udvikle cancer og andre sygdomme.

IBMs resultater viser, at de kunne separere og detektere partikler så små som 20 nm fra mindre partikler, at exosomer på størrelse 100 nm og større kunne adskilles fra mindre exosomer, og at adskillelse kan finde sted på trods af diffusion, et kendetegn for partikeldynamik i disse små skalaer. Med Sinai-bjerget, holdet planlægger at bekræfte, at deres enhed er i stand til at opfange exosomer med kræftspecifikke biomarkører fra flydende patientbiopsier.

"Evnen til at sortere og berige biomarkører på nanoskala i chip-baserede teknologier åbner døren til forståelse af sygdomme som kræft såvel som vira som influenza eller Zika, sagde Gustavo Stolovitzky, Programdirektør for Translational Systems Biology and Nanobiotechnology hos IBM Research. "Vores laboratorie-på-en-chip-enhed kunne tilbyde en enkel, ikke -invasiv og overkommelig mulighed for potentielt at opdage og overvåge en sygdom, selv i de tidligste stadier, længe før fysiske symptomer viser sig. Denne ekstra tid giver lægerne mulighed for at træffe mere informerede beslutninger, og hvornår prognosen for behandlingsmuligheder er mest positiv."

Med evnen til at sortere biopartikler på nanoskala, Sinai-bjerg håber, at IBM's teknologi kan give en ny metode til at aflytte de meddelelser, som eksosomer bærer til celle-til-celle kommunikation. Dette kan belyse vigtige spørgsmål om sygdommes biologi samt bane vejen for ikke-invasive og i sidste ende overkommelige point-of-care diagnostiske værktøjer. Overvågning af denne intercellulære samtale mere regelmæssigt kunne give medicinske eksperter mulighed for at spore en persons helbredstilstand eller progression af en sygdom.

"Når vi er foran sygdommen, kan vi normalt løse den godt, men hvis sygdommen er foran os, rejsen er normalt meget sværere. En af de vigtige udviklinger, som vi forsøger i dette samarbejde, er at have det grundlæggende grundlag for at identificere eksosomsignaturer, der kan være der meget tidligt, før symptomer opstår, eller før en sygdom bliver værre, " sagde Dr. Carlos Cordon-Cardo, Professor og formand for Mount Sinai Health System Department of Pathology. "Ved at samle Mount Sinais domæneekspertise inden for kræft og patologi med IBM's systembiologiske erfaring og dets nyeste nanoskala separationsteknologi, håbet er at lede efter specifikke, følsomme biomarkører i exosomer, der repræsenterer en ny grænse for at tilbyde spor, der kan svare på, om en person har kræft, eller hvordan man behandler det. "

Sortering af biopartikler på nanoskala

Lab-on-a-chip teknologier er blevet et utroligt nyttigt diagnostisk værktøj for læger, da de kan være betydeligt hurtigere, transportabel, let at bruge og kræver mindre prøvevolumen for at hjælpe med at opdage sygdomme. Målet er at skrue ned til en enkelt siliciumchip alle de processer, der er nødvendige for at analysere en sygdom, som normalt ville blive udført i et fuldskala biokemisk laboratorium.

Ved at bruge en teknologi kaldet nanoskala deterministisk lateral forskydning, eller nano-DLD, IBM-forskerne Dr. Joshua Smith og Dr. Benjamin Wunsch førte udviklingen af ​​en lab-on-a-chip-teknologi, der gør det muligt at passere en flydende prøve, i kontinuerligt flow, gennem en siliciumchip indeholdende et asymmetrisk søjlearray. Denne matrix tillader systemet at sortere et mikroskopisk vandfald af nanopartikler, adskille partikler efter størrelse ned til titusinder af nanometers opløsning. IBM har allerede nedskaleret chipstørrelsen til 2 cm gange 2 cm, samtidig med at udviklingen fortsætter for at øge enhedstætheden for at forbedre funktionalitet og gennemløb.

Meget ligesom hvordan en vej gennem en lille tunnel kun tillader mindre biler at passere, mens de tvinger større lastbiler til at omveje, nano-DLD bruger et sæt søjler til at afbøje større partikler, mens de tillader mindre partikler at strømme gennem hullerne i søjlearrayet uformindsket, effektivt adskille denne partikel "trafik" efter størrelse uden at forstyrre flow. Interessant nok, IBM-forskere bemærkede, at nano-DLD-arrays også kan opdele en blanding af mange forskellige partikelstørrelser i en spredning af strømme, meget ligesom et prisme deler hvidt lys i forskellige farver. Den kontinuerlige strømning af denne teknologi omgår stop-and-go batchbehandling, der er typisk for konventionelle separationsteknikker.

Udnyttelse af IBM's store halvlederekspertise med dens voksende kapacitet inden for eksperimentel biologi, IBM-forskere brugte fremstillingsbare siliciumprocesser til at producere nano-DLD-arrays til deres lab-on-a-chip-enhed. Som en del af den igangværende strategi, IBM-forskere arbejder på at øge mangfoldigheden af ​​biopartikler, der kan adskilles med deres enhed, og forbedring af præcisionen og specificiteten til kliniske anvendelser i den virkelige verden.