Des ingénieurs de l’Université Duke ont développé un appareil qui utilise des ondes sonores pour séparer et trier les plus petites particules trouvées dans le sang en quelques minutes. La technologie est basée sur un concept appelé « piliers virtuels » et pourrait être une aubaine pour la recherche scientifique et les applications médicales.
De minuscules nanoparticules biologiques appelées « petites vésicules extracellulaires » (sEV) sont libérées par tous les types de cellules du corps et sont censées jouer un rôle important dans la communication de cellule à cellule et dans la transmission des maladies. La nouvelle technologie, baptisée Acoustic Nanoscale Separation via Wave-pillar Excitation Resonance, ou ANSWER en abrégé, extrait non seulement ces nanoparticules des biofluides en moins de 10 minutes, mais les trie également en catégories de taille censées avoir des rôles biologiques distincts.
Les résultats sont parus en ligne le 23 novembre dans la revue Avancées scientifiques.
« Ces nanoparticules ont un potentiel important dans le diagnostic et le traitement médical, mais les technologies actuelles pour les séparer et les trier prennent plusieurs heures ou jours, sont incohérentes, produisent un faible rendement ou une faible pureté, souffrent de contamination et endommagent parfois les nanoparticules », a déclaré Tony Jun Huang. , professeur émérite William Bevan de génie mécanique et de science des matériaux à Duke.
« Nous voulons rendre l’extraction et le tri des sEV de haute qualité aussi simples que d’appuyer sur un bouton et d’obtenir les échantillons souhaités plus rapidement qu’il n’en faut pour prendre une douche », a déclaré Huang.
Une seule onde sonore crée une série de « piliers virtuels » au milieu d’un canal rempli de fluide, déplaçant doucement les nanoparticules vers le côté. La technologie peut séparer et trier les nanoparticules médicalement importantes des biofluides, qui pourraient être utilisées pour détecter des maladies telles que le cancer ou la maladie d’Alzheimer. Crédit : Jinxin Zhang, Duke University
Des recherches récentes indiquent que les sEV sont composés de plusieurs sous-groupes avec des tailles distinctes (par exemple, inférieures à 50 nanomètres, entre 60 et 80 nanomètres et entre 90 et 150 nanomètres). On pense que chaque taille a des propriétés biologiques différentes.
La découverte récente de sous-populations de sEV a enthousiasmé les chercheurs en raison de leur potentiel à révolutionner le domaine des diagnostics non invasifs, tels que la détection précoce du cancer et de la maladie d’Alzheimer. Mais les particules n’ont pas encore trouvé leur chemin dans les milieux cliniques.
Huang a déclaré que cela était en grande partie dû aux difficultés associées à la séparation et à l’isolement de ces sous-populations de sEV de taille nanométrique. Pour relever ce défi, Huang, son doctorant Jinxin Zhang et des collaborateurs de l’UCLA, de Harvard et du Magee-Womens Research Institute ont développé la plateforme ANSWER.
L’appareil utilise une seule paire de transducteurs pour générer une onde sonore stationnaire qui enveloppe un canal étroit et fermé rempli de fluide. L’onde sonore « fuite » dans le centre liquide à travers les parois du canal et interagit avec l’onde sonore stationnaire d’origine. Avec une conception soignée de l’épaisseur de la paroi, de la taille du canal et de la fréquence sonore, cette interaction crée une résonance qui forme des « piliers virtuels » le long du centre du canal.
Chacun de ces piliers virtuels est essentiellement une région de haute pression en forme de demi-œuf. Lorsque les particules tentent de traverser les piliers, elles sont poussées vers les bords du canal. Et plus les particules sont grosses, plus la poussée est grande. En ajustant la série de piliers virtuels pour créer des forces nuancées sur les nanoparticules en déplacement, les chercheurs peuvent les trier avec précision par taille en une variété de groupes déterminés par les besoins des expériences en cours.
Regardez une seule onde sonore créer une série de « piliers virtuels » au milieu d’un canal rempli de fluide. Crédit : Jinxin Zhang, Duke University
« La technologie de fractionnement ANSWER EV est la capacité la plus avancée pour un fractionnement précis des VE, et elle aura un impact significatif sur l’horizon des diagnostics, des pronostics et de la biopsie liquide des VE », a déclaré David Wong, directeur du UCLA Center for Oral/Head & Neck Oncology Research.
Dans le nouvel article, les chercheurs démontrent que leur plate-forme ANSWER peut trier avec succès les sEV en trois sous-groupes avec une précision de 96 % pour les nanoparticules à l’extrémité la plus large du spectre et une précision de 80 % pour les plus petites. Ils font également preuve de flexibilité dans leur système, ajustant le nombre de groupes et les plages de tailles avec de simples mises à jour des paramètres d’onde sonore. Chacune des expériences n’a duré que 10 minutes, alors que d’autres méthodes telles que l’ultra-centrifugation peuvent prendre plusieurs heures ou plusieurs jours.
« En raison de sa nature sans contact, ANSWER propose une approche biocompatible pour la séparation des nanoparticules biologiques. » dit Zhang. « Contrairement aux méthodes de filtration mécanique, qui ont des diamètres de coupure de séparation fixes, ANSWER offre une approche réglable de la séparation à l’échelle nanométrique, et le diamètre de coupure peut être modifié avec précision en faisant varier la puissance acoustique d’entrée. »
À l’avenir, les chercheurs continueront d’améliorer la technologie ANSWER afin qu’elle puisse être efficace dans la purification d’autres nanoparticules biologiquement pertinentes telles que les virus, les anticorps et les protéines.
Plus d’information:
Jinxin Zhang et al, Une solution au fractionnement biophysique des vésicules extracellulaires : séparation acoustique à l’échelle nanométrique via la résonance d’excitation du pilier d’onde (ANSWER), Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.ade0640