Vejning af partikler på Attogram-skalaen

MIT-ingeniører har udtænkt en måde at måle massen af ​​partikler med en opløsning, der er bedre end et attogram - en milliontedel af en trilliontedel af et gram. Vejning af disse bittesmå partikler, herunder både syntetiske nanopartikler og biologiske komponenter i celler, kunne hjælpe forskerne med bedre at forstå deres sammensætning og funktion.

Systemet bygger på en teknologi, der tidligere er udviklet af Scott Manalis, en MIT-professor i biologisk og maskinteknik, til at veje større partikler, såsom celler. Dette system, kendt som en suspenderet mikrokanalresonator (SMR), måler partiklernes masse, når de strømmer gennem en smal kanal.

Ved at formindske størrelsen af ​​hele systemet var forskerne i stand til at øge dets opløsning til 0,85 attogram - mere end en 30-fold forbedring i forhold til den tidligere generation af enheden.

Nu kan vi veje små vira, ekstracellulære vesikler og de fleste af de konstruerede nanopartikler, der bliver brugt til nanopartikler, siger Selim Olcum, en postdoc i Manalis' laboratorium og en af ​​hovedforfatterne til et papir, der beskriver systemet i denne uges udgave af det Proceedings of the National Academy of Sciences .

Kandidatstuderende Nathan Cermak er også hovedforfatter af papiret, og Manalis, medlem af MIT's Koch Institut for Integrativ Kræftforskning , er avisens seniorforfatter. Forskere fra laboratorier af MIT-professorer og Koch Institute-medlemmer Angela Belcher og Sangeeta Bhatia bidrog også til undersøgelsen.

En lille sensor til små partikler

Manalis udviklede først SMR-systemet i 2007 at måle massen af ​​levende celler, såvel som partikler så små som et femtogram (en kvadrilliontedel af et gram eller 1.000 attogram). Siden da har hans laboratorium brugt enheden til spore cellevækst over tid , måle celletæthed , og måle andre fysiske egenskaber, såsom stivhed .

Den originale massesensor består af en væskefyldt mikrokanal ætset i en lille siliciumudkrager, der vibrerer inde i et vakuumhulrum. Når celler eller partikler strømmer gennem kanalen, én ad gangen, ændrer deres masse en lille smule cantileverens vibrationsfrekvens. Massen af ​​partiklen kan beregnes ud fra denne ændring i frekvens.

For at gøre enheden følsom over for mindre masser, var forskerne nødt til at skrumpe størrelsen af ​​cantileveren, som opfører sig meget som et vippebræt, siger Olcum. Når en dykker hopper for enden af ​​et vippebræt, vibrerer den med en meget stor amplitude og lav frekvens. Når dykkeren kaster sig i vandet, begynder brættet at vibrere meget hurtigere, fordi brættets samlede masse er faldet betragteligt.

For at måle mindre masser kræves et mindre vippebræt. Hvis du måler nanopartikler med en stor cantilever, er det som at have et stort vippebræt med en lillebitte flue på. Når fluen hopper af, mærker du ingen forskel. Derfor var vi nødt til at lave meget bittesmå vippebrætter, siger Olcum.

I en tidligere undersøgelse byggede forskere i Manalis' laboratorium en 50-mikron udkrager - omkring en tiendedel af størrelsen af ​​den udligger, der bruges til at måle celler. Dette system, kendt som en suspenderet nanokanalresonator (SNR), var i stand til at veje partikler så lette som 77 attogram med en hastighed på en partikel eller to i sekundet.

Cantileveren i den nye version af SNR-enheden er 22,5 mikron lang, og kanalen, der løber på tværs, er 1 mikron bred og 400 nanometer dyb. Denne miniaturisering gør systemet mere følsomt, fordi det øger cantileverens vibrationsfrekvens. Ved højere frekvenser reagerer cantileveren mere på mindre ændringer i massen.

Forskerne fik endnu et løft i opløsning ved at skifte kilden til cantileverens vibration fra en elektrostatisk til en piezoelektrisk excitation, som producerer en større amplitude og på sin side mindsker virkningen af ​​falske vibrationer, der interfererer med det signal, de forsøger at måle.

Med dette system kan forskerne måle næsten 30.000 partikler på lidt mere end 90 minutter. I løbet af et sekund har vi fået fire eller fem partikler igennem, og vi kunne potentielt øge koncentrationen og få partikler til at gå hurtigere igennem, siger Cermak.

Partikelanalyse

For at demonstrere enhedens anvendelighed til at analysere konstruerede nanopartikler vejede MIT-teamet nanopartikler lavet af DNA bundet til små guldkugler, hvilket gjorde det muligt for dem at bestemme, hvor mange guldkugler der var bundet til hver DNA-origami stillads. Den information kan bruges til at vurdere udbytte, hvilket er vigtigt for at udvikle præcise nanostrukturer, såsom stilladser til nanoenheder.

Forskerne testede også SNR-systemet på biologiske nanopartikler kaldet exosomer - vesikler, der bærer proteiner, RNA eller andre molekyler udskilt af celler - som menes at spille en rolle i signalering mellem fjerne steder i kroppen.

De fandt ud af, at exosomer udskilt af leverceller og fibroblaster (celler, der udgør bindevæv) havde forskellige profiler af massefordeling, hvilket tyder på, at det kan være muligt at skelne mellem vesikler, der stammer fra forskellige celler og kan have forskellige biologiske funktioner.

Forskerne undersøger nu brugen af ​​SNR-enheden til at påvise exosomer i blodet hos patienter med glioblastom (GBM), en type hjernekræft. Denne type tumor udskiller store mængder af exosomer, og sporing af ændringer i deres koncentration kan hjælpe læger med at overvåge patienter, mens de bliver behandlet.

Glioblastom-eksosomer kan nu påvises ved at blande blodprøver med magnetiske nanopartikler belagt med antistoffer, der binder til markører fundet på vesikeloverflader, men SNR kunne give en enklere test.

Vi er særligt begejstrede for at bruge den høje præcision af SNR til at kvantificere mikrovesikler i blodet hos GBM-patienter. Selvom affinitetsbaserede tilgange eksisterer til isolering af undergrupper af mikrovesikler, kan SNR potentielt give et mærkefrit middel til at optælle mikrovesikler, der er uafhængigt af deres overfladeekspression, siger Manalis.

Forskningen blev finansieret af U.S. Army Research Office gennem Institute for Collaborative Biotechnologies, Center for Integration of Medicine and Innovative Technology, National Science Foundation og National Cancer Institute.

skjule