Виртуальные столбы разделяют и сортируют наночастицы в крови
Инженеры из Университета Дьюка разработали устройство, которое с помощью звуковых волн разделяет и сортирует мельчайшие частицы, содержащиеся в крови, за считанные минуты. Технология основана на концепции "виртуальных столбов" и может стать прорывом как для научных исследований, так и для медицинских применений.
Крошечные биологические наночастицы, называемые "малыми внеклеточными везикулами" (sEVs), выделяются каждым типом клеток в организме и, как считается, играют важную роль в межклеточной коммуникации и передаче заболеваний. Новая технология, названная Acoustic Nanoscale Separation via Wave-pillar Excitation Resonance (ANSWER), не только извлекает эти наночастицы из биожидкостей менее чем за 10 минут, но и сортирует их по размерным категориям, которые, как полагают, имеют различные биологические роли.
Результаты были опубликованы онлайн 23 ноября в журнале Science Advances.
"Эти наночастицы обладают значительным потенциалом в медицинской диагностике и лечении, но текущие технологии их разделения и сортировки занимают несколько часов или дней, нестабильны, дают низкий выход или чистоту, страдают от загрязнения и иногда повреждают наночастицы", — сказал Тони Джун Хуан, профессор машиностроения и материаловедения в Университете Дьюка.
"Мы хотим сделать извлечение и сортировку высококачественных sEVs таким же простым, как нажатие кнопки, и получать нужные образцы быстрее, чем принять душ", — добавил Хуан.
Последние исследования показывают, что sEVs состоят из нескольких подгрупп с различными размерами (например, менее 50 нанометров, от 60 до 80 нанометров и от 90 до 150 нанометров). Считается, что каждый размер имеет разные биологические свойства.
Недавнее открытие субпопуляций sEVs вызвало ажиотаж среди исследователей из-за их потенциала для революции в области неинвазивной диагностики, такой как раннее обнаружение рака и болезни Альцгеймера. Но частицы еще не нашли своего пути в клиническую практику.
Хуан считает, что это во многом связано с трудностями, связанными с разделением и выделением этих наноразмерных субпопуляций sEVs. Чтобы решить эту задачу, Хуан, его аспирант Цзиньсинь Чжан и коллабораторы из UCLA, Гарварда и Magee-Womens Research Institute разработали платформу ANSWER.
Устройство использует одну пару преобразователей для создания стоячей звуковой волны, которая охватывает узкий закрытый канал, заполненный жидкостью. Звуковая волна "просачивается" в жидкую среду через стенки канала и взаимодействует с исходной стоячей волной. При тщательном проектировании толщины стенок, размера канала и частоты звука это взаимодействие создает резонанс, формирующий "виртуальные столбы" вдоль центра канала.
Каждый из этих виртуальных столбов по сути представляет собой область высокого давления в форме половинки яйца. Когда частицы пытаются пересечь эти столбы, их отталкивает к краям канала. И чем крупнее частицы, тем сильнее толчок. Настраивая серию виртуальных столбов для создания тонких сил, действующих на движущиеся наночастицы, исследователи могут точно сортировать их по размеру на различные группы в соответствии с потребностями эксперимента.
"Технология фракционирования ANSWER EV — это наиболее продвинутая возможность для точного фракционирования внеклеточных везикул, и она значительно повлияет на горизонты диагностики, прогнозирования и жидкой биопсии на основе EV", — сказал Дэвид Вонг, директор Центра исследований онкологии полости рта и головы/шеи UCLA.
В новой статье исследователи демонстрируют, что их платформа ANSWER может успешно сортировать sEVs на три подгруппы с точностью 96% для наночастиц на более крупном конце спектра и 80% для самых маленьких. Они также показывают гибкость своей системы, регулируя количество групп и диапазоны размеров с помощью простого изменения параметров звуковой волны. Каждый из экспериментов занял всего 10 минут, в то время как другие методы, такие как ультрацентрифугирование, могут занимать несколько часов или дней.
"Благодаря своей бесконтактной природе, ANSWER предлагает биосовместимый подход для разделения биологических наночастиц", — сказал Чжан. "В отличие от методов механической фильтрации, которые имеют фиксированные пороговые диаметры разделения, ANSWER предлагает настраиваемый подход к наномасштабному разделению, и пороговый диаметр можно точно изменить, варьируя входную акустическую мощность".
В дальнейшем исследователи продолжат совершенствовать технологию ANSWER, чтобы она могла эффективно очищать другие биологически значимые наночастицы, такие как вирусы, антитела и белки.