Ingenieure der Duke University haben ein Gerät entwickelt, das Schallwellen nutzt, um die kleinsten Partikel im Blut innerhalb weniger Minuten zu trennen und zu sortieren. Die Technologie basiert auf einem Konzept namens „virtuelle Säulen“ und könnte sowohl für die wissenschaftliche Forschung als auch für medizinische Anwendungen ein Segen sein.
Winzige biologische Nanopartikel, sogenannte „kleine extrazelluläre Vesikel“ (sEVs), werden von jedem Zelltyp im Körper freigesetzt und spielen vermutlich eine große Rolle bei der Kommunikation von Zelle zu Zelle und bei der Übertragung von Krankheiten. Die neue Technologie mit dem Namen Acoustic Nanoscale Separation via Wave-pillar Excitation Resonance oder kurz ANTWORT zieht diese Nanopartikel nicht nur in weniger als 10 Minuten aus Bioflüssigkeiten, sondern sortiert sie auch in Größenkategorien, von denen angenommen wird, dass sie unterschiedliche biologische Rollen haben.
Die Ergebnisse erschienen online am 23. November im Journal Wissenschaftliche Fortschritte.
„Diese Nanopartikel haben ein erhebliches Potenzial für die medizinische Diagnose und Behandlung, aber die aktuellen Technologien zu ihrer Trennung und Sortierung dauern mehrere Stunden oder Tage, sind inkonsistent, produzieren eine geringe Ausbeute oder Reinheit, leiden unter Kontamination und beschädigen manchmal die Nanopartikel“, sagte Tony Jun Huang , William Bevan Distinguished Professor of Mechanical Engineering and Materials Science bei Duke.
„Wir wollen das Extrahieren und Sortieren hochwertiger sEVs so einfach wie das Drücken eines Knopfes machen und die gewünschten Proben schneller erhalten, als man zum Duschen braucht“, sagte Huang.
Eine einzelne Schallwelle erzeugt eine Reihe von „virtuellen Säulen“ in der Mitte eines mit Flüssigkeit gefüllten Kanals und bewegt Nanopartikel darin sanft zur Seite. Die Technologie kann medizinisch wichtige Nanopartikel aus Bioflüssigkeiten trennen und sortieren, die zur Erkennung von Krankheiten wie Krebs oder Alzheimer eingesetzt werden könnten. Bildnachweis: Jinxin Zhang, Duke University
Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass sEV aus mehreren Untergruppen mit unterschiedlichen Größen bestehen (z. B. kleiner als 50 Nanometer, zwischen 60 und 80 Nanometer und zwischen 90 und 150 Nanometer). Es wird angenommen, dass jede Größe unterschiedliche biologische Eigenschaften hat.
Die jüngste Entdeckung von sEV-Subpopulationen hat Forscher wegen ihres Potenzials, den Bereich der nicht-invasiven Diagnostik, wie der Früherkennung von Krebs und der Alzheimer-Krankheit, zu revolutionieren, begeistert. Aber die Partikel haben ihren Weg in die Klinik noch nicht gefunden.
Huang sagte, dies sei größtenteils auf die Schwierigkeiten zurückzuführen, die mit der Trennung und Isolierung dieser sEV-Subpopulationen in Nanogröße verbunden seien. Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben Huang, seine Doktorandin Jinxin Zhang und Mitarbeiter der UCLA, Harvard und des Magee-Womens Research Institute die ANSWER-Plattform entwickelt.
Das Gerät verwendet ein einzelnes Wandlerpaar, um eine stehende Schallwelle zu erzeugen, die einen schmalen, umschlossenen, mit Flüssigkeit gefüllten Kanal umhüllt. Die Schallwelle „leckt“ durch die Kanalwände in das flüssige Zentrum und interagiert mit der ursprünglichen stehenden Schallwelle. Bei sorgfältiger Gestaltung der Wandstärke, Kanalgröße und Schallfrequenz erzeugt dieses Zusammenspiel eine Resonanz, die „virtuelle Säulen“ entlang der Mitte des Kanals bildet.
Jede dieser virtuellen Säulen ist im Wesentlichen ein halb eiförmiger Hochdruckbereich. Wenn Partikel versuchen, die Säulen zu überqueren, werden sie zu den Rändern des Kanals geschoben. Und je größer die Partikel, desto größer der Schub. Durch die Abstimmung der Reihe virtueller Säulen, um nuancierte Kräfte auf die wandernden Nanopartikel zu erzeugen, können die Forscher sie genau nach Größe in eine Vielzahl von Gruppen sortieren, die durch die Anforderungen der vorliegenden Experimente bestimmt werden.
Beobachten Sie, wie eine einzelne Schallwelle eine Reihe von „virtuellen Säulen“ in der Mitte eines mit Flüssigkeit gefüllten Kanals erzeugt. Bildnachweis: Jinxin Zhang, Duke University
„Die EV-Fraktionierungstechnologie von ANSWER ist die fortschrittlichste Fähigkeit zur präzisen EV-Fraktionierung und wird den Horizont der EV-Diagnostik, -Prognose und -Flüssigbiopsie erheblich beeinflussen“, sagte David Wong, Direktor des UCLA-Zentrums für Oral/Head & Neck Oncology Research.
In dem neuen Artikel zeigen die Forscher, dass ihre ANSWER-Plattform erfolgreich sEVs in drei Untergruppen sortieren kann, mit einer Genauigkeit von 96 % für Nanopartikel am größeren Ende des Spektrums und einer Genauigkeit von 80 % für die kleinsten. Sie zeigen auch Flexibilität in ihrem System, indem sie die Anzahl der Gruppierungen und Größenbereiche mit einfachen Aktualisierungen der Schallwellenparameter anpassen. Jedes der Experimente dauerte nur 10 Minuten, während andere Methoden wie die Ultrazentrifugation mehrere Stunden oder Tage dauern können.
„Aufgrund seiner berührungslosen Natur bietet ANSWER einen biokompatiblen Ansatz für die Trennung von biologischen Nanopartikeln.“ sagte Zhang. „Im Gegensatz zu mechanischen Filtermethoden, die feste Trenndurchmesser haben, bietet ANSWER einen abstimmbaren Ansatz für die Trennung im Nanobereich, und der Trenndurchmesser kann durch Variieren der Eingangsschallleistung präzise modifiziert werden.“
In Zukunft werden die Forscher die ANSWER-Technologie weiter verbessern, damit sie andere biologisch relevante Nanopartikel wie Viren, Antikörper und Proteine effizient reinigen kann.
Mehr Informationen:
Jinxin Zhang et al, Eine Lösung für die biophysikalische Fraktionierung extrazellulärer Vesikel: Akustische Trennung im Nanomaßstab über Wellensäulen-Anregungsresonanz (ANSWER), Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.ade0640