Новый метод позволяет взвешивать отдельные живые клетки
Исследователи из MIT впервые разработали способ измерения массы отдельных клеток с высокой точностью.
Новая методика, основанная на микромеханическом детекторе, может позволить создавать недорогие портативные диагностические устройства, а также дать уникальную возможность наблюдать, как клетки меняются в процессе деления.
В отличие от обычных методов, технология MIT позволяет измерять клетки, пока они находятся в жидкости, что открывает новые возможности для применения, говорит Скотт Маналис, старший автор статьи, которая выйдет 26 апреля в журнале Nature.
Помимо взвешивания клеток, технологию можно использовать для «взвешивания наночастиц или субмонослоев биомолекул в растворе с разрешением, которое на шесть порядков чувствительнее коммерческих методов масс-сенсоров. Одно из направлений нашей работы — массовая проточная цитометрия, способ взвешивать и подсчитывать определённые клетки», — сказал Маналис, доцент кафедр биологической и механической инженерии MIT.
Современные методы измерения массы достигают разрешения до зептограмма (10-21 грамма), но работают только с неживыми объектами, так как процедура должна проводиться в вакууме. Поэтому исследователи MIT решили «вывернуть» обычную систему наизнанку.
В традиционном методе молекулы для взвешивания помещаются на крошечную кремниевую пластинку (кантилевер). Пластинка вибрирует на своей резонансной частоте внутри вакуума. Когда на неё попадает молекула, частота слегка меняется, и массу молекулы можно вычислить, измерив это изменение.
Это измерение должно проводиться в вакууме, чтобы воздух (или жидкость) не влиял на частоту колебаний. Однако клетки не могут выжить в вакууме, поэтому их нужно измерять в жидкости, что снижает точность измерений.
Исследователи решили эту дилемму, поместив жидкость с образцом внутрь кремниевой пластинки, которая по-прежнему колеблется в окружающем её вакууме. Биологический образец прокачивается через микроканал, проходящий через пластинку, не нарушая её способности вибрировать.
«Резонатор герметично запаян в крошечной вакуумной полости внутри чипа, поэтому вибрации практически ничто не сопротивляется, — сказал соавтор Томас Бург, научный сотрудник по биологической инженерии. — Это позволяет нам измерять изменение массы, скажем, на 10 частей на миллиард от уже очень лёгкого микрокантилевера».
Пока исследователи взвешивали частицы с разрешением чуть ниже фемтограмма (10-15 грамма), но Маналис считает, что после доработок чувствительность можно будет повысить на несколько порядков в течение нескольких лет. «Каждый шаг на этом пути откроет новые возможности», — сказал он.
Исследователи также могут измерять массовую плотность частиц или клеток, «меняя плотность окружающего раствора», — сказал Мишель Годен, соавтор и постдокторант по биологической инженерии.
Команда уже изучает несколько областей применения новой технологии.
Одно из перспективных направлений — создание устройства, которое имитировало бы возможности подсчёта клеток у проточных цитометров, часто используемых для мониторинга количества CD4-клеток у пациентов со СПИДом. Подсчитывая CD4-клетки (тип иммунных клеток), врачи могут определить стадию развития СПИДа у пациента. Однако устройства проточной цитометрии, работающие по принципу отражения света от потока клеток, слишком велики и дороги для использования в развивающихся странах, где живут многие больные СПИДом.
Крошечный чип, способный считать клетки с помощью нового метода взвешивания MIT, стал бы «дешёвой и надёжной» альтернативой коммерческим проточным цитометрам, которые обычно стоят более 20 000 долларов, сказал Маналис.
«Поскольку устройство производится серийно с использованием стандартных полупроводниковых технологий, его потенциально можно использовать в одноразовом формате», — добавил он.
Уильям Родригес, исследователь СПИДа из Массачусетской больницы общего профиля, знакомый с работой Маналиса, сказал, что новая технология может оказать огромное влияние на тестирование на СПИД в сельских районах Африки и других регионов.
«Проще говоря, дешёвое, простое устройство для подсчёта CD4, которое может использовать медработник на местах… стало бы прорывом в глобальном здравоохранении», — считает Родригес.
Маналис также планирует сотрудничество с доцентом биологии MIT Ангеликой Амон, которая интересуется изучением того, как массовая плотность отдельной клетки меняется в процессе её деления. Используя новый метод, учёные смогут в конечном итоге улавливать одну клетку и наблюдать за ней в течение длительного времени. Изменения массы могут коррелировать с производством белков, что даст новый способ изучения того, что делает клетка во время деления, сказал Маналис.
Ещё одно применение новой технологии — измерение мелких частиц или шариков. Важно знать размер частиц, используемых в красках, устройствах для доставки лекарств, покрытиях и нанокомпозитных материалах, сказал Маналис, добавив, что новая технология может стать «золотым стандартом» для измерения этих частиц по одной.