Ny teknologi kan føre til hurtige, minimalt invasive kræftdiagnoser

En ny enhed skabt ved University of Notre Dame anvender en innovativ metode til at "lytte med" på cellers samtaler.

Forskere har længe vidst, at RNA (ribonukleinsyre) fungerer som en budbringer inde i celler, der oversætter DNA-information for at hjælpe celler med at lave proteiner.

Men for nylig har forskere opdaget, at visse typer RNA vove sig uden for cellevæggen. Hver af disse strenge af "ekstracellulært RNA" eller exRNA hviler inde i en lille "bærer"-"flaske" og flyder langs kropsvæsker som et mikroskopisk budskab i en flaske, der fører information til andre celler.

Den nye påskønnelse af exRNA rejste også en fristende mulighed:Kunne vi bruge exRNA som en måde at "lytte med" på cellers samtaler?

"Disse ekstracellulære RNA'er er en guldgrube af information," sagde Hsueh-Chia Chang, Bayer-professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved University of Notre Dame. "De kan bære de tidlige advarselstegn på kræft, hjertesygdomme, HIV og andre livstruende tilstande."

Chang, en ekspert i nanofluidics, forklarer, at diagnosticering af en sygdom ved hjælp af exRNA ikke kun kan vise sig at være mere effektiv, men også hurtigere og billigere end eksisterende metoder, da der er nok exRNA i en lille prøve af blod eller en anden kropsvæske til at signalere tilstedeværelsen af ​​mange sygdomme.

Men at opsnappe og fortolke exRNA-meddelelser har været en vanskelig udfordring. Mange laboratorier har forsøgt at filtrere dem fra prøver af blod eller andre kropsvæsker. Mange andre har brugt avancerede centrifuger til at isolere exRNA. Disse metoder har kun haft ringe succes af en simpel grund:De forskellige typer "flasker", der bærer exRNA-meddelelser, overlapper hinanden i størrelse og vægt.

Selv de mest avancerede filtre og centrifuger efterlader mange bærere rodet sammen. Labs, der bruger disse metoder, skal tilføje yderligere trin, hvor de tilføjer kemikalier eller små magnetiske partikler for yderligere at sortere bærerne i diskrete grupper.

For fire år siden besluttede Chang og et team af forskere ved Notre Dame at prøve en radikalt ny tilgang, og deres idé fik støtte fra Common Fund of the National Institutes of Health, som udvælger lovende "højrisiko, innovative bestræbelser med potentiale for ekstraordinær indvirkning."

Chang fik selskab af tre andre Notre Dame-fakultetsmedlemmer:Crislyn D'Souza-Schorey, Morris Pollard-professoren i biologiske videnskaber; David Go, vicepræsident og associeret prost for akademisk strategi og Viola D. Hank professor i rumfart og maskinteknik; og Satyajyoti Senapati, forskningslektor ved Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik. Postdoc-stipendiat Himani Sharma fungerede som projektleder, og kemisk og biomolekylær ingeniørstuderende Vivek Yadav hjalp med at udføre forskningen.

I en undersøgelse offentliggjort i ACS Nano , Sharma, Chang og deres kolleger beskriver den banebrydende enhed, der er resultatet af deres forskning.

Den nye teknologi bruger en kombination af pH (surhed/basicitet) og elektrisk ladning til at adskille bærerne. Ideen bygger på det faktum, at selv om bærerne overlapper hinanden i størrelse og vægt, har hver type et særskilt "isoelektrisk punkt" - pH-værdien eller niveauet af surhedsgrad/basicitet, hvor den ikke har nogen positiv eller negativ ladning.

Enheden integrerer adskillige eksisterende teknologier udviklet på Notre Dame og ligger pænt i håndfladen.

Flyder gennem midten af ​​enheden, hvad der ligner en simpel vandstrøm. Men der er noget særligt ved åen, som ikke er synlig med det blotte øje. I venstre side er vandet meget surt, med en pH-værdi, der er omtrent den samme som et glas grapefrugtjuice. På den anden side af åen er vandet meget basisk med en pH-værdi, der ligner en flaske ammoniak.

En særlig egenskab ved enheden er ikke kun det faktum, at den har en pH-gradient i strømmen, men også hvordan den opnår denne gradient. Teknologien er i stand til at generere gradienten uden tilsætning af kemikalier, hvilket gør den billigere, mere miljøvenlig og mere effektiv at køre end design, der er afhængig af tilsatte syrer og baser.

Gradienten kommer ikke fra et kemikalie, men fra en tosidet membran drevet af en specialdesignet chip. Membranen deler vandet i to ioner (H ⁺ og OH ^- ) og tilføjer en anden slags ion til hver side af strømmen. Den ene side af membranen frigiver sure hydroniumioner, og den anden størrelse frigiver basiske hydroxidioner.

Når de basiske og sure strømme flyder sammen, skaber de en pH-gradient, ligesom varme og kolde strømme, der flyder sammen, ville danne varme og kolde sider med en temperaturgradient gennem midten af ​​strømmen. Holdet brugte de to enheder, der kørte parallelt, til at vælge det pH-område, der kræves til adskillelse af bærere, og optimerede processen ved hjælp af maskinlæring.

pH-gradienten opnåede, hvad filtre og centrifuger ikke kunne:Det fik exRNA-bærerne, der svævede i strømmen, til at sortere sig selv som farver af lys, der passerede gennem et prisme. De forskellige typer bærere dannede linjer langs deres isoelektriske punkter, hvor de let kunne flyde ud i separate udløb.

Takket være den nye metode var forskerholdet i stand til at generere meget rene prøver (op til 97 % rene) ved at bruge mindre end en milliliter blodplasma, spyt eller urin. Processen var også lynhurtig sammenlignet med nuværende metoder. Mens de bedste eksisterende teknologier tager omkring en dag at opnå adskillelse, var Notre Dame-teamet i stand til at sortere deres prøve på kun en halv time.

"Vi har ansøgt om et patent og håber snart, at teknologien vil blive kommercialiseret, så den kan hjælpe med at forbedre diagnoser af kræft og andre sygdomme," sagde Sharma, der vandt flere priser for sit arbejde med undersøgelsen fra Notre Dame's Harper Cancer Research Instituttet.

"Ikke-smitsomme sygdomme er ansvarlige for mere end 70% af dødsfaldene på verdensplan, og hjerte-kar-sygdomme og kræft er ansvarlige for det meste af det antal," sagde Sharma. "Vores teknologi viser en vej til at forbedre den måde, klinikere diagnosticerer disse sygdomme på, og det kan redde et enormt antal liv."

Flere oplysninger: Himani Sharma et al., A Scalable High-Throughput Isoelectric Fractionation Platform for Extracellular Nanocarriers:Comprehensive and Bias-Free Isolation of Ribonucleoproteins from Plasma, Urine and Saliva, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c01340

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af University of Notre Dame