Blodprøver via lydbølger kan erstatte nogle vævsbiopsier

Celler udskiller pakker i nanoskala kaldet exosomer, der bærer vigtige beskeder fra en del af kroppen til en anden. Forskere fra MIT og andre institutioner har nu udtænkt en måde at opsnappe disse beskeder på, som kunne bruges til at diagnosticere problemer som kræft eller fosterabnormiteter.

Deres nye enhed bruger en kombination af mikrofluidik og lydbølger til at isolere disse exosomer fra blod. Forskerne håber at inkorporere denne teknologi i en bærbar enhed, der kan analysere patientblodprøver til hurtig diagnose, uden at involvere den besværlige og tidskrævende ultracentrifugeringsmetode, der almindeligvis anvendes i dag.

"Disse exosomer indeholder ofte specifikke molekyler, der er en signatur på visse abnormiteter. Hvis du isolerer dem fra blod, du kan lave biologiske analyser og se, hvad de afslører, " siger Ming Dao, en hovedforsker i MIT's afdeling for materialevidenskab og teknik og en seniorforfatter af undersøgelsen, som fremgår af Proceedings of the National Academy of Sciences ugen 18. sept.

Papirets seniorforfattere inkluderer også Subra Suresh, udpeget præsident for Nanyang Technological University i Singapore, MIT's Vannevar Bush professor i ingeniørvidenskab emeritus, og en tidligere dekan for ingeniørvidenskab ved MIT; Tony Jun Huang, en professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke University; og Yoel Sadovsky, direktør for Magee-Womens Research Institute. Papirets hovedforfatter er Duke -kandidatstuderende Mengxi Wu.

Sortering med lyd

I 2014, det samme hold af forskere rapporterede først, at de kunne adskille celler ved at udsætte dem for lydbølger, når de strømmede gennem en lille kanal. Denne teknik tilbyder et mere skånsomt alternativ til andre cellesorteringsteknologier, som kræver mærkning af cellerne med kemikalier eller udsættelse for stærkere mekaniske kræfter, der kan beskadige dem.

Siden da, forskerne har vist, at denne teknologi kan bruges til at isolere sjældne, cirkulerende tumorceller fra en blodprøve. I deres nye undersøgelse, de satte sig for at fange eksosomer. Disse vesikler, som normalt er omkring 30 til 150 nanometer i diameter, kan bære proteiner, RNA, eller andre vigtige cellulære molekyler.

Tidligere undersøgelser har afsløret, at exosomindhold kan tjene som markører for lidelser som kræft, neurodegenerativ sygdom, og nyresygdom, blandt andre. Imidlertid, eksisterende metoder til isolering af exosomer kræver højhastighedscentrifugering, som tager næsten 24 timer at udføre, ved hjælp af en stor maskine, der ikke er bærbar. De høje centrifugalkræfter kan også skade vesikler.

"Akustiske lydbølger er meget blidere, " siger Dao. "Disse partikler oplever kræfterne i kun et sekund eller mindre, mens de bliver adskilt, hvilket er en stor fordel."

Forskernes originale akustiske cellesorteringsenhed består af en mikrofluid kanal, der udsættes for to vippede akustiske transducere. Når lydbølger produceret af disse transducere støder på hinanden, de danner stående bølger, der genererer en række trykknuder. Hver gang en celle eller partikel strømmer gennem kanalen og støder på en knude, trykket leder cellen lidt længere væk fra midten. Afstanden af ​​cellebevægelse afhænger af størrelse og andre egenskaber såsom kompressibilitet, gør det muligt at adskille celler af forskellig størrelse, når de når enden af ​​kanalen.

For at isolere exosomer, forskerne byggede en enhed med to sådanne enheder i tandem. Først og fremmest, lydbølger bruges til at fjerne celler og blodplader fra en blodprøve. Når cellerne og blodpladerne er fjernet, prøven går ind i en anden mikrofluidisk enhed, som bruger lydbølger med en højere frekvens til at adskille exosomer fra lidt større ekstracellulære vesikler.

Ved at bruge denne enhed, det tager mindre end 25 minutter at behandle en ufortyndet blodprøve på 100 mikroliter.

"Den nye teknik kan afhjælpe ulemperne ved de nuværende teknologier til eksosom isolering, såsom lang ekspeditionstid, inkonsekvens, lavt udbytte, forurening, og usikker exosom integritet, Huang siger. "Vi ønsker at gøre udvinding af exosomer af høj kvalitet så simpelt som at trykke på en knap og få de ønskede prøver inden for 10 minutter."

"Dette arbejde giver en ny måde at fange exosomer fra menneskelige væskeprøver gennem en unik kombination af mikrofluidik og akustik, ved hjælp af avancerede mikrofabrikationsteknologier, " siger Suresh. "Denne metodes evne til at adskille disse nanoskala vesikler, i det væsentlige uden at ændre deres biologiske eller fysiske egenskaber, giver tiltalende muligheder for at udvikle nye måder at vurdere menneskers sundhed på såvel som sygdommes opståen og udvikling."

En klar signatur

Forskerholdet planlægger nu at bruge denne teknologi til at søge biomarkører, der kan afsløre sygdomstilstande. De har en fælles bevilling fra National Institutes of Health til at lede efter markører relateret til unormal graviditet, og de mener, at teknologien også kan bruges til at hjælpe med at diagnosticere andre sundhedstilstande.

"Den nye akustofluidic-teknologi har potentialet til dramatisk at forbedre processen med isolering af exosomer og andre ekstracellulære vesikler fra blod og andre kropsvæsker, " siger Sadovsky. "Dette vil tilføje en ny dimension til forskning i 'væskebiopsi', og lette den kliniske brug af ekstracellulære vesikler for at informere om fysiologien og sundheden for organer, der er svære at få adgang til, såsom moderkagen under menneskelig graviditet."