Pesare le particelle sulla scala dell'attogramma

Gli ingegneri del MIT hanno escogitato un modo per misurare la massa delle particelle con una risoluzione migliore di un attogramma: un milionesimo di trilionesimo di grammo. La pesatura di queste minuscole particelle, comprese sia le nanoparticelle sintetiche che i componenti biologici delle cellule, potrebbe aiutare i ricercatori a comprenderne meglio la composizione e la funzione.

Il sistema si basa su una tecnologia precedentemente sviluppata da Scott Manalis, professore di ingegneria biologica e meccanica del MIT, per pesare particelle più grandi, come le cellule. Questo sistema, noto come risonatore microcanale sospeso (SMR), misura la massa delle particelle mentre fluiscono attraverso un canale stretto.

Riducendo le dimensioni dell'intero sistema, i ricercatori sono stati in grado di aumentare la sua risoluzione a 0,85 attogrammi, un miglioramento di oltre 30 volte rispetto alla generazione precedente del dispositivo.

Ora possiamo pesare piccoli virus, vescicole extracellulari e la maggior parte delle nanoparticelle ingegnerizzate che vengono utilizzate per la nanomedicina, afferma Selim Olcum, postdoc nel laboratorio di Manalis e uno degli autori principali di un articolo che descrive il sistema nel numero di questa settimana di il Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Il dottorando Nathan Cermak è anche un autore principale del documento e Manalis, membro del MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research , è l'autore senior del documento. Hanno contribuito allo studio anche i ricercatori dei laboratori dei professori del MIT e dei membri del Koch Institute Angela Belcher e Sangeeta Bhatia.

Un piccolo sensore per piccole particelle

Manalis ha sviluppato per la prima volta il sistema SMR nel 2007 per misurare la massa delle cellule viventi, così come le particelle piccole come un femtogrammo (un quadrilionesimo di grammo, o 1.000 attogrammi). Da allora, il suo laboratorio ha utilizzato il dispositivo per monitorare la crescita cellulare nel tempo , misurare la densità cellulare , e misurare altre proprietà fisiche, come la rigidità .

Il sensore di massa originale è costituito da un microcanale pieno di liquido inciso in un minuscolo cantilever di silicio che vibra all'interno di una cavità del vuoto. Quando le cellule o le particelle fluiscono attraverso il canale, una alla volta, la loro massa altera leggermente la frequenza di vibrazione del cantilever. La massa della particella può essere calcolata da quel cambiamento di frequenza.

Per rendere il dispositivo sensibile a masse più piccole, i ricercatori hanno dovuto ridurre le dimensioni del cantilever, che si comporta in modo molto simile a un trampolino, afferma Olcum. Quando un subacqueo rimbalza all'estremità di un trampolino, vibra con un'ampiezza molto grande e una bassa frequenza. Quando il subacqueo si immerge in acqua, la tavola inizia a vibrare molto più velocemente perché la massa totale della tavola è diminuita notevolmente.

Per misurare masse più piccole è necessario un trampolino più piccolo. Se stai misurando le nanoparticelle con un grande cantilever, è come avere un enorme trampolino con una piccola mosca sopra. Quando la mosca salta, non noti alcuna differenza. Ecco perché abbiamo dovuto realizzare trampolini molto piccoli, dice Olcum.

In uno studio precedente, i ricercatori del laboratorio di Manalis hanno costruito un cantilever da 50 micron, circa un decimo delle dimensioni del cantilever utilizzato per misurare le celle. Quel sistema, noto come risonatore a nanocanali sospeso (SNR), era in grado di pesare particelle leggere fino a 77 attogrammi alla velocità di una o due particelle al secondo.

Il cantilever nella nuova versione del dispositivo SNR è lungo 22,5 micron e il canale che lo attraversa è largo 1 micron e profondo 400 nanometri. Questa miniaturizzazione rende il sistema più sensibile perché aumenta la frequenza di vibrazione del cantilever. A frequenze più alte, il cantilever è più reattivo a piccoli cambiamenti di massa.

I ricercatori hanno ottenuto un altro aumento della risoluzione commutando la sorgente della vibrazione del cantilever da un'eccitazione elettrostatica a una piezoelettrica, che produce un'ampiezza maggiore e, a sua volta, riduce l'impatto delle vibrazioni spurie che interferiscono con il segnale che stanno cercando di misurare.

Con questo sistema, i ricercatori possono misurare quasi 30.000 particelle in poco più di 90 minuti. Nell'arco di un secondo, abbiamo quattro o cinque particelle che passano e potremmo potenzialmente aumentare la concentrazione e far passare le particelle più velocemente, dice Cermak.

Analisi delle particelle

Per dimostrare l'utilità del dispositivo nell'analisi delle nanoparticelle ingegnerizzate, il team del MIT ha pesato nanoparticelle fatte di DNA legate a minuscole sfere d'oro, il che ha permesso loro di determinare quante sfere d'oro erano legate a ciascuna impalcatura di DNA-origami. Tali informazioni possono essere utilizzate per valutare la resa, importante per lo sviluppo di nanostrutture precise, come gli scaffold per i nanodispositivi.

I ricercatori hanno anche testato il sistema SNR su nanoparticelle biologiche chiamate esosomi - vescicole che trasportano proteine, RNA o altre molecole secrete dalle cellule - che si ritiene svolgano un ruolo nella segnalazione tra luoghi distanti nel corpo.

Hanno scoperto che gli esosomi secreti dalle cellule epatiche e dai fibroblasti (cellule che compongono il tessuto connettivo) avevano diversi profili di distribuzione di massa, suggerendo che potrebbe essere possibile distinguere vescicole che provengono da cellule diverse e possono avere funzioni biologiche diverse.

I ricercatori stanno ora studiando l'utilizzo del dispositivo SNR per rilevare gli esosomi nel sangue di pazienti con glioblastoma (GBM), un tipo di cancro al cervello. Questo tipo di tumore secerne grandi quantità di esosomi e il monitoraggio dei cambiamenti nella loro concentrazione potrebbe aiutare i medici a monitorare i pazienti durante il trattamento.

Gli esosomi di glioblastoma possono ora essere rilevati mescolando campioni di sangue con nanoparticelle magnetiche ricoperte di anticorpi che si legano a marcatori trovati sulle superfici delle vescicole, ma l'SNR potrebbe fornire un test più semplice.

Siamo particolarmente entusiasti di utilizzare l'elevata precisione del SNR per quantificare le microvescicole nel sangue dei pazienti con GBM. Sebbene esistano approcci basati sull'affinità per isolare sottoinsiemi di microvescicole, l'SNR potrebbe potenzialmente fornire un mezzo privo di etichette per enumerare le microvescicole che è indipendente dalla loro espressione superficiale, afferma Manalis.

La ricerca è stata finanziata dall'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti attraverso l'Institute for Collaborative Biotechnologies, il Center for Integration of Medicine and Innovative Technology, la National Science Foundation e il National Cancer Institute.

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